книги / Нанотехнологии и специальные материалы

К физическим свойствам металлических порошков относят: форму и размер частиц, гранулометрический состав, величину удельной поверхности частиц, плотность и состояние кристалли­ ческой структуры.

Форма и размер частиц. В зависимости от химической при­ роды металла и способа получения частицы порошка могут иметь различную форму — сферическую (карбонильные), каплеобраз­ ную и отчасти сферическую (распыленные порошки), губчатую (восстановленные), тарельчатую (при размоле на вихревых мель­ ницах), дендритную (электролитические), осколочную (при раз­ моле в шаровых и вибромельницах).

Форма частиц порошков оказывает большое влияние на на­ сыпную плотность и прессуемость, а также на плотность, проч­ ность и однородность прессовок. Наименьшую насыпную плот­ ность и наибольшую прочность имеют прессовки из порошков с дендритной формой частиц. Порошки с частицами сферической формы, наоборот, имеют максимальную насыпную плотность, но плохо прессуются. Для получения из них прессовок с достаточ­ ной прочностью требуется большое давление. Порошки с чешуй­ чатой формой частиц очень плохо прессуются, а полученные из них прессовки склонны к растрескиванию и расслоению.

В зависимости от метода получения порошков размеры частиц могут колебаться в широких пределах, начиная от долей микро­ нов до сотен и даже тысяч микронов. Порошки классифицируются на нанокристаллические — с размером частиц до 100 нм; ультратонкие —до 0,5 мкм; весьма тонкие —от 0,5 до 10 мкм; тонкие — от 10 до 40 мкм; средней тонкости —от 40 до 150 мкм и крупные (грубые) — свыше 160 мкм. Фракции порошка размерами более 100 мкм обычно называют гранулами, менее 0,1 мкм —пудрой.

Гранулометрический состав. Размер частиц является важ­ нейшей технологической характеристикой порошков. Величина частиц, а особенно так называемый набор зернистости, т. е. соот­ ношение количества частиц разных размеров (фракций), выра­ женное в процентах, называется гранулометрическим составом. От размера частиц порошков зависят насыпная плотность, давле­ ние прессования, усадка при спекании и механические свойства готовых изделий. Чем мельче порошки, тем большее давление требуется при прессовании, а полученные заготовки при этом об­ ладают повышенной прочностью и спекаются при более низких температурах.

При спекании прессовок из мелких порошков обычно наблю­ дается усадка, т. е. уменьшение размеров заготовок, а при спека-

шш прессовок из крупных порошков, наоборот, иногда происхо­ дит рост, увеличение размеров. Поэтому, комбинируя в опреде­ ленных пропорциях различные фракции крупности порошка, стараются получить такую смесь, которая обеспечила бы мини­ мальное изменение размеров изделий при спекании.

Самым простым и наиболее распространенным методом опре­ деления гранулометрического состава является ситовый анализ, который состоит в просеивании пробы порошка через набор сит, взвешивании отдельных фракций и расчете их процентного со­ держания.

Удельная поверхность. Под удельной поверхностью порош­ кообразных тел понимается суммарная поверхность всех частиц, взятых в единице объема или массы порошка.

Определение удельной поверхности служит косвенным мето­ дом оценки дисперсности и активности частиц порошка. Этот по­ казатель характеризуется размером и формой частиц, степенью развитости их поверхности и является весьма важным, так как от него зависят содержание адсорбированных газов в порошке, стойкость к окислению и коррозии частиц, а также активность процессов при прессовании и особенно при спекании. Экспери­ ментальное определение удельной поверхности производится ме­ тодом адсорбции красителей, азота и аргона.

Плотность. Исследование плотности порошков показывает, что фактическая плотность частиц порошка значительно отлича­ ется от плотности, определенной на основе рентгенографических данных. Это различие в плотности объясняется наличием в ме­ талле порошка значительной внутренней пористости, дефектов кристаллического строения, оксидов.

6.3. ОСНОВНЫЕ МАРКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ

В соответствии с общепринятыми требованиями порошковые материалы, выпускаемые по отечественным стандартам, имеют следующую маркировку: первая буква ”П” означает порошковое состояние материала, вторая буква указывает на металлическую основу порошка. Кроме того, в марку порошка входят буквы и цифры, определяющие химический и гранулометрический соста­ вы, технологические свойства порошков, иногда особенности их производства. Около 90 % мирового производства металлических порошков приходится на железные порошки и порошки сплавов, изготовленных на основе железа. В табл. 6.1 приведены марки, составы и основные технологические свойства железных порош­ ков, выпускаемых заводами России и СНГ.

В соответствии с ГОСТ 9849—86 железные восстановленные порошки имеют марку Г1ЖВ, а распыленные — ПЖРЗ или ПЖРВЗ. Буквенный индекс ”3 ” в этой марке означает среду распыления —воздух, ”ВЗ” —воду, последующие численные ин­ дексы —среднюю чистоту порошка по примесям и его технологи­ ческие характеристики.

Широкое применение имеют порошки меди, никеля и других металлов. Согласно ГОСТ 4960—75 выпускаются и применяются следующие порошки меди: ПМА, ПМАу, ПМС-1у, ПМС-Н и т. д. Химические составы этих марок порошков приведены в табл. 6.2. Здесь в названии марок две первые буквы обозначают порошок медный (ПМ), следующие: С —стабилизированный, К —конопаточный, Н —низкодисперсный; индексы, в частности у, Н, В и др., —со специальными свойствами. В табл. 6.3 даны области применения этих порошков. Медный порошок не должен иметь посторонних примесей и комков и по цвету соответствовать образцу, согласованному изготовителем и потребителем. Удель­ ное электрическое сопротивление медного порошка марки ПМА не должно превышать 25 мкОм м.

Никелевые порошки в промышленных масштабах получают двумя способами: карбонильным и электролитическим. На эти порошки распространен ГОСТ 9722—97. Некоторые марки нике­ левых порошков и их обозначения приведены в табл. 6.4.

ТАБЛИЦА 6.1

Марки, химический состав (% (мае.), основа —железо) и свойства железных порошков согласно ГОСТ 9849—86

А. Химический состав железных порошков

Содержание примесей, %(мае.)

Марка порошка

Сулинский металлургический завод (восстановленный порошок)

Броварский завод порошковой металлургии

Химический состав некоторых карбонильных и электрохимических никелевых порошков

Кроме этих наиболее широко применяемых порошков про­ мышленностью России выпускаются следующие порошки цвет­ ных металлов: оловянный, кобальтовый, пудра алюминиевая, по­ рошки цинка, палладия, ниобия, платины.

Кроме порошков чистых металлов выпускаются порошки вы­ соколегированных сталей и сплавов и порошки нержавеющих хромоникелевых сталей.

6.4. ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТОДАМИ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

В связи с ограниченными возможностями формообразования деталей при изготовлении их методами порошковой металлургии важное значение приобретают принципы отбора деталей, перево­ димых на изготовление их методами порошковой металлургии. При этом необходимо учитывать ряд факторов —материал, при­ меняемый при их изготовлении, режимы их термической и хими­ ко-термической обработок и обработки резанием, условия и ре­ жимы эксплуатации изделия. Одним из определяющих факторов является сложность их формы. Общие требования к форме дета­ лей изложены в ГОСТ 29278—92 (’’Изделия порошковые. Конст­ руктивные элементы”). В зависимости от применяемых конструк тивных элементов изделия порошковой металлургии различают по форме: простой, сложной и особо сложной форм.

К изделиям простой формы относятся: —изделия без переходов по высоте;

—изделия без отверстия или с одним отверстием и с торцами, ограниченными параллельными плоскостями.

Дополнительными конструктивными элементами изделий про­ стой формы являются стенки, фаски, пазы и зубья.

К изделиям сложной формы относятся:

—изделия с одним переходом по высоте, без отверстия и с торцами, ограниченными параллельными плоскостями;

—изделия с одним или несколькими отверстиями, с одним переходом по высоте и торцами, ограниченными параллельными плоскостями.

К изделиям особо сложной формы относятся:

—изделия с двумя или более переходами и буртами по высо­ те, с торцами, ограниченными параллельными или непараллель­ ными плоскостями, криволинейными плоскостями;

—изделия, ограниченные одной или более коническими, сфе­ рическими и другими криволинейными поверхностями.

Дополнительными конструктивными элементами изделий слож­ ной и особо сложной формы являются стенки, фаски, пазы, зу­ бья, бурты, выступы, уклоны, углубления в торцах.

Применение порошковых методов изготовления изделий оп­ равдано только тогда, когда в общей технологии изготовления достигается положительный экономический эффект или другие методы изготовления fie обеспечивают заданных свойств.

Оценка экономической целесообразности изготовления из­ делий методами порошковой металлургии не представляет осо­ бых сложностей и в основном отражает их серийность. В слу­ чае изготовления изделий особо сложной формы рентабель­ ность производства дополнительно определяется затратами на изготовление деталей прессформ, которые возрастают по мере усложнения формы порошковых изделий; необходимостью при­ менения специальных прессов, например прессов с боковым давлением и т. п.; повышенными затратами на механическую обработку

Порошковые материалы, используемые для изготовления из­ делий конструкционного назначения, могут быть разделены на две группы:

1) материалы для изготовления изделий в целях замены обычных углеродистых и легированных сталей, чугунов, некото­ рых цветных металлов и сплавов;

2) материалы со специальными свойствами, получить которые можно только при производстве изделий методами порошковой металлургии.

Наиболее характерными деталями первой группы являются шатуны, шестерни, храповики, кулачки, ригели, накидные и спе­ циальные гайки, рычаги и многие другие детали, которые выпус­ каются промышленностью методами литья и механической обра­

ботки. Изготовление деталей этой группы рентабельно только при массовом производстве одинаковых изделий.

Изготовление изделий методами порошковой металлургии мо­ жет быть оправдано только в том случае, если эти изделия со­ ставляют в серии от 10 до 50 тыс. штук простой формы, 5000— 10000 штук сложной формы и 500—1000 штук особо сложной формы.

6.5. ПРЕССОВАНИЕ (ФОРМОВАНИЕ) ПОРОШКОВОГО МАТЕРИАЛА

Методы порошковой металлургии, в частности прессование (формование), позволяют получать не только полуфабрикаты, но

иготовые изделия в случаях, когда исключается применение ме­ ханической обработки.

При изготовлении изделий методами, исключающими обра­ ботку резанием, прессование производится в прессформах, вос­ производящих форму и размеры готового изделия. При этом тех­ нология изготовления порошковых изделий, количество операций определяются степенью сложности изделий и условиями их экс­ плуатации. Малонагруженные изделия (антифрикционные, уп­ лотнительные, некоторые виды фильтрующих и т. п.) изготавли­ ваются однократным прессованием и спеканием. Детали средне- и тяжелонагруженные требуют многократного прессования с про­ межуточными отжигами и высокотемпературным окончательным спеканием, динамического горячего прессования, горячей штам­ повки. Детали, изготовленные методом однократного прессования

испекания, могут после прессования и спекания поступать непо­ средственно в эксплуатацию или подвергаться дополнительной обработке.

6.5.1. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРЕССОВАНИЯ ПОРОШКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ

Прессование, или формование порошковых металлов, —одна из трудоемких операций порошковой металлургии. Условия прес­ сования (схема, давление, температура и т. п.) определяют физи­ ко-химические и механические свойства готовых изделий, их назначение и работоспособность. Заготовки, спрессованные при обычных температурах (холодное прессование), имеют относи­ тельно высокую пористость и низкую прочность, однако вполне достаточную для выполнения последующих операций. Прессова­ ние при высоких температурах (горячее прессование) в большин­ стве случаев позволяет получать изделия с малой пористостью (0,5—6 % пор) и высокими механическими свойствами.

изделий. В зависимости от исходных характеристик порошковых компонентов, состава порошковой смеси холодное прессование с последующим спеканием позволяет получать изделия с мини­ мальной пористостью (в пределах 10—15 %), что не всегда отве­ чает заданным требованиям по механическим свойствам. Поэтому для получения малопористых прочных изделий применяют мно­ гократное прессование, динамическое горячее прессование, горя­ чую ковку, штамповку и т. п.

Многократное прессование. При многократном прессовании исходная порошковая смесь после первого прессования в виде высокопористой заготовки подвергается отжигу и последующему прессованию с промежуточными отжигами при температуре выше температуры рекристаллизации основного металла смеси.

Горячее прессование в закрытых прессформах. При прессо­ вании значительная часть давления расходуется на деформацию частиц порошков. Повышение пластичности металла порошка снижает давление, необходимое для прессования, и повышает плотность прессовок. Поэтому, применяя методы прессования, способствующие повышению пластичности порошка и снижению усилия прессования, можно при одних и тех же давлениях прес­ сования получать более плотные изделия. К таким методам отно­ сится горячее прессование.

Горячее прессование представляет собой технологическую операцию, при которой совмещаются процессы прессования и спекания. При горячем прессовании в области температур, составляющих 0,5—0,8 от абсолютной температуры плавления металла порошка, при сравнительно малых давлениях прессо­ вания можно получать почти беспористые изделия с плотно­ стью, недостижимой при раздельном ведении прессования и спекания.

Динамическое горячее прессование (ДГП). Разновидностью горячего прессования в закрытых прессформах является горячая штамповка, или, как принято называть, динамическое горячее прессование. Метод ДГП состоит из предварительного холодного прессования и спекания в защитной среде заготовок с пористо­ стью 25—30 %, кратковременного их нагрева током высокой час­ тоты (ТВЧ), установки в прессформу для ДГП (или штамповки) в разогретом состоянии, выбивки из прессформы и охлаждения с заданной скоростью.

Нагрев при ДГП (горячей штамповке и ковке) производится с использованием ТВЧ. В связи с тем что время объемного прогре­ ва заготовок при этом составляет всего несколько секунд, его производят в обычных атмосферных условиях без опасения окис­ ления.

Изготовление изделий методом ДГП позволяет, при опреде­ ленных условиях, получать почти беспористые изделия с повы­ шенными механическими свойствами и мелкозернистой структу­ рой. Изделия, как правило, имеют высокую точность по разме­ рам, а их поверхность —высокую чистоту.

6.5.3. ПРЕССОВАНИЕ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ЗАГОТОВОК

Основными недостатками прессования порошковых материа­ лов в закрытых прессформах являются сложность изготовления прессформ и ограниченность изделий по форме и массе. В связи с этим в настоящее время разработаны технологические процессы прессования (формования) порошковых материалов, которые по­ зволяют получать прессованные заготовки массой в сотни кило­ граммов. В большинстве случаев форма их приближается к фор­ ме готовых изделий и требуется лишь незначительная механиче­ ская обработка.

Гидростатическое прессование. Для получения порошковых заготовок простой формы с равномерной плотностью применяется гидростатическое прессование. Сущность процесса состоит в том, что порошковая смесь, засыпанная в эластичные оболочки, все­ сторонне сжимается жидкостью (водой, маслом) при давлении выше 100—120 МПа, а после прессования подвергается спеканию в защитных (восстановительных) средах.

Методом гидростатического прессования можно получать за­ готовки крупных размеров массой до 500 кг и более, изготавли­ вать заготовки труб, фасонных изделий, многослойные заготовки, а также производить напрессовку порошковых материалов на компактные металлические изделия.

Горячее изостатическое прессование. Горячее изостатическое прессование (ГИП), как и гидростатическое, относится к объем­ ному методу прессования, когда порошковая смесь, заключенная в эластичную оболочку, при высоких температурах подвергается всестороннему обжатию газами или — значительно реже — рас­ плавленными металлами (свинцом).

Прессование при высоких температурах осуществляется на специальных установках —изостагах. В качестве рабочей среды в них применяют гелий, аргон, азот.

Давление при ГИП определяется мощностью установки, а температура выбирается в соответствии с доступным давлением. Практикой установлено, что для получения заготовок плотностью 96—99 % продолжительность ГИП должна составлять 2,5—3,5 ч, давление — 100—120 МПа, температура от 0,6 до 0,8 абсолютной температуры плавления металла.