Металлический порошок для чего используется
Порошковая металлургия — технология получения порошков, изготовление и применение изделий
Порошковая металлургия – отрасль промышленности, включающая в себя определенный набор способов производства металлических порошков, а также изготовление деталей из этих материалов. Это направление металлургии как способ получения готовых изделий начало активно развиваться около ста лет назад.
Плюсы производства
Такой способ производства деталей имеет ряд преимуществ, которые позволяют ему вытеснять более дорогие методы обработки металлов: литье, ковку и штамповку.
Существующий ряд преимуществ:
Технология производства методом порошковой металлургии имеет много общего с изготовлением керамических изделий.
Эти процессы объединяет то, что сырьевой материал (в одном случае это песок и глина, в другом – металл) погружается в раскаленную печь. В итоге получается пористая структура материала. Такая схожесть технологических процессов привела к тому, что детали, изготовленные методом порошковой металлургии, называют металлокерамическими.
Этапы технологии порошковой металлургии
1. Получение порошков
– Механическое измельчение металлов в вихревых, вибрационных и шаровых мельницах (получение крупных (100 и более мкм) порошков неправильной формы);
– распыление жидких металлов в воздух, либо в воду: его достоинства — возможность эффективной очистки расплава от многих примесей, высокая производительность;
– получение порошков железа, меди, вольфрама, молибдена высокотемпературным восстановлением металла (обычно из окислов) углеродом или водородом;
– электролитическое осаждение металлов;
– термическая диссоциация летучих карбонилов металлов (карбонильный метод). Преимущества- получение мелкодисперсного (0-20 мкм) порошка железа правильной формы, с определёнными радиотехническими свойствами.
2. Формование порошков
Основной метод формования металлических порошков — прессование в пресс-формах из закалённой стали под давлением 200—1000 Мн/м2 на быстроходных автоматических прессах. Прессовки имеют форму, размеры и плотность, заданные с учётом изменения этих характеристик при спекании и последующих операциях. Возрастает значение таких новых методов холодного формования, как изостатическое прессование порошков под всесторонним давлением, прокатка и МIМ-технология.
3. Спекание порошков
Спекание проводят в защитной среде (водород; атмосфера, содержащая соединения углерода; вакуум; защитные засыпки) при температуре около 70—85% от абсолютной точки плавления, а для многокомпонентных сплавов — несколько выше температуры плавления наиболее легкоплавкого компонента. Защитная среда должна обеспечивать восстановление окислов, не допускать образования нежелательных загрязнений продукции, предотвращать выгорание отдельных компонентов (например, углерода в твёрдых сплавах), обеспечивать безопасность процесса спекания. Конструкция печей для спекания должна предусматривать проведение не только нагрева, но и охлаждения продукции в защитной среде. Цель спекания — получение готовых изделий с заданными плотностью, размерами и свойствами или полупродуктов с характеристиками, необходимыми для последующей обработки. Расширяется применение горячего прессования (спекания под давлением), в частности изостатического.
Технологический процесс производства порошков
Получение металлокерамической детали начинается с изготовления порошков. Порошки бывают разных фракций и различных размеров. Отсюда – различие в способах их производства.
Существуют две группы принципиально разных методов получения порошков:
Имеются ключевые моменты применяющихся способов производства металлических порошков:
Физико-механические методы
Порошок требуемых фракций получают в центробежных мельницах разного типа.
Первичное измельчение – промежуточный этап производства порошков. Его осуществляют в конусных и валковых дробилках. В этих устройствах получат мелкие частицы металла с размером, не превышающим 1 см.
Процедура измельчения может длиться, в зависимости от применяемой технологии, от одного часа до 3–4 суток. Когда требуется сократить этот процесс, применяются уже не шаровые, а вибрационные мельницы.
В таких мельницах интенсивность процесса возрастает за счет присутствия усилий резания и создания переменных напряжений. Окончательный размер порошковых частиц составляет от 0,009 мм до 1 мм.
С целью повышения производительности процесса измельчения, его осуществляют в условиях жидкостного воздействия – для недопущения распыления металла. Объем задействованной жидкости составляет 40% от массы измельчаемых частиц.
Для измельчения твердосплавных частиц применяют планетарные центробежные мельницы. Отрицательной стороной работы такого устройства считается периодичность ее работы.
Физико-механические методы не подходят в случае необходимости измельчения цветных металлов, обладающих высокой пластичностью. Пластичные металлы измельчаются вихревыми мельницами, их принцип действия основан на измельчении частиц путем их взаимных ударов.
Изготовление порошковых изделий
Типовой технологический процесс изготовления деталей методом порошковой металлургии состоит из следующих основных операций: приготовление шихты (смешивание), формование, спекание и калибрование.
Приготовление смеси
Смешивание — это приготовление с помощью смесителей однородной механической смеси из металлических порошков различного химического и гранулометрического состава или смеси металлических порошков с неметаллическими. Смешивание является подготовительной операцией. Некоторые производители металлических порошков для прессования поставляют готовые смеси.
Формование порошка
Формование изделий осуществляется путем холодного прессования под большим давлением (30-1000 МПа) в металлических формах. Обычно используются жёсткие закрытые пресс-формы, пресс-инструмент ориентирован, как правило, вертикально. Смесь порошков свободно засыпается в полость матрицы, объёмная дозировка регулируется ходом нижнего пуансона. Прессование может быть одно- или двусторонним. Пресс-порошок брикетируется в полости матрицы между верхними и нижним пуансоном (или несколькими пуансонами в случае изделия с переходами). Сформированный брикет выталкивается из полости матрицы нижним пуансоном. Для формования используется специализированное прессовое оборудование с механическим, гидравлическим или пневматическим приводом. Полученная прессовка имеет размер и форму готового изделия, а также достаточную прочность для перегрузки и транспортировки к печи для спекания.
Спекание
Спекание изделий из однородных металлических порошков производится при температуре ниже температуры плавления металла. С повышением температуры и увеличением продолжительности спекания увеличиваются усадка, плотность, и улучшаются контакты между зернами. Во избежание окисления спекание проводят в восстановительной атмосфере (водород, оксид углерода), в атмосфере нейтральных газов (азот, аргон) или в вакууме. Прессовка превращается в монолитное изделие, технологическая связка выгорает (в начале спекания).
Калибрование
Калибрование изделий необходимо для достижения нужной точности размеров, улучшается качество поверхности и повышается прочность.
Дополнительные операции
Иногда применяются дополнительные операции: пропитка смазками, механическая доработка, термическая, химическая обработка и др.
Химико-металлургические методы
Несмотря на разнообразие методов является наиболее трудоемкой и дорогой стадией технологического процесса. Физические, химические и технологические свойства порошков, форма частиц зависит от способа их производства. Вот основные промышленные способы изготовления металлических порошков:
В промышленных условиях специальные порошки получают также осаждением, науглероживанием, термической диссоциацией летучих соединений (карбонильный метод) и другими способами.
Свойства металлических порошков
Порошки, как и любой другой материал, имеет ряд стандартных свойств, которые влияют на его технологическую пригодность. Специалисты к ним относят следующие свойства:
Формовка
Формование порошков – подготовительная операция, предваряющая процесс прессования. Включает в себя термообработку, подготовку смеси и дозировку. Повысить свойства пластичности порошков помогает термический отжиг.
Термообработка проходит в среде защитных газов при температуре от 40 до 60 процентов от температуры плавления металла. Для получения однородности состава порошков, они подвергаются обязательно операции сепарирования: просеивания металлических частиц через специальные сита. Только после того, как порошок просеян, следует переходить к приготовлению смеси порошков нужного состава.
Прессование
Суть процесса прессования заключается в плотном соединении частичек металлического порошка друг с другом. Рабочее давление механического пресса при этом составляет от 1 до 6 тыс. кг на квадратный сантиметр.
Изделия, полученные прессованием, не имеют высоких прочностных характеристик. Поэтому им требуется термообработка, заключающаяся в спекании порошков. Частицы металла в процессе расплавления образуют между собой крепкие межатомные связи, делая деталь однородной по своей структуре.
Стоит отметить, что часто операции прессования и спекания объединены в одну – горячее прессование.
Причем нагрев в этом случае осуществляют токами высокой частоты.Производство деталей из порошков методом горячего прессования значительно сокращает время, затрачиваемое на их изготовление.
Этот фактор позволяет экономить энергетические ресурсы и снижает себестоимость производства изделий.
Области применения деталей порошковой металлургии
Порошковая индустрия как способ изготовления и обработки металлов очень разнообразен по своим технологическим методам. Это дает возможность получать детали требуемого состава и необходимых свойств.
Применяя методы порошковой металлургии производства, специалисты могут производить новейшие композитные материалы, получения которых традиционными методами невозможно. Производство деталей машин и механизмов из металлических порошков дает существенную экономию на материале, за счет получения низкого расходного коэффициента.
Металлокерамические изделия применяются в широком спектре областей приборостроения, радиоэлектроники и машиностроения. Применяются порошки и в производстве режущего инструмента: резцов, сверл.
Сверла изготавливаются из порошкового металла
Производство изделий из металлических порошков в настоящий момент имеет высокую степень автоматизации. Технологическая простота операций позволяет применять работников без высокой квалификации. Эти факторы благоприятно отражаются на себестоимости продукции порошковой металлургии.
При уровне пористости порошков, который не превышает норму, они не уступают по показателю коррозионной стойкости. Особенно деталям, изготовленными стандартными способами.
Изделия порошковой металлургии обладают способностью хорошо переносить резкие скачки температур. Поэтому они применяются в средах, работающих в таких условиях.
Недостатки порошковой металлургии
Недостатки порошковой металлургии и некоторые её достоинства нельзя рассматривать как постоянно действующие факторы: в значительной степени они зависят от состояния и развития как самой порошковой металлургии, так и других отраслей промышленности. По мере развития техники порошковая металлургия может вытесняться из одних областей и, наоборот, завоёвывать другие.
Детали узлов трения
Специфика применения металлокерамических изделий обусловлена их свойством хорошо удерживать смазочные материалы. Эта их особенность определяется пористой структурой.
Это свойство способствует изготовлению из порошков деталей, испытывающих в своей работе трение: подшипники скольжения, направляющие втулки, вкладыши, щетки электродвигателей.
Пористая структура подшипников из порошков позволяет пропитывать их маслом. Впоследствии смазка попадает на трущиеся поверхности. Такие подшипники получили название самосмазывающиеся.
Они имеют следующие достоинства:
Свойство пористости металлокерамических деталей специалисты могут усилить, если при изготовлении добавлять в них графит, который, как известно, обладает высокими смазывающими свойствами. Подшипники с повышенным содержанием графита не нуждаются в применении масла.
Композитные материалы
Большое развитие порошковая индустрия получила с развитием высокотехнологичной техники, требующей изделий из композитных материалов. Отличие композитов от сплавов состоит в возможности получать прочные соединения разнородных металлических и неметаллических компонентов.
Выплавка традиционным способом в металлургических печах не создает растворов, например, вольфрама и меди. После возникновения композитных материалов эта проблема была решена.
Достигается такой результат обыкновенным смешиванием нужных компонентов, приданием формы на прессе с последующим спеканием.
Ядерное топливо также является композитным материалом.
Твердые сплавы
Твердосплавные изделия получают методами металлокерамики. Повышенная твердость достигается включением в состав карбидных включений. Как известно, с увеличением доли углерода в металле, возрастает его твердость.
Карбидные соединения дают высокую вязкость, сохраняя прочностные свойства порошка. Металлокерамические детали нужны там, где необходима их высокая износостойкость. Чаще всего, это режущий инструмент, а также твердосплавные матрицы и пуансоны для листовой штамповки.
Контактные материалы
Изделия из электроконтактных материалов. Порошковая индустрия незаменима для производства электрических контактов, применяемых в электронике и радиотехнике. В этих отраслях применяются так называемые ферромагнитные порошки.
Другие сферы применения порошков
Еще одним полезным свойством порошков является их жаростойкость, что позволяет применять их в различных тормозных механизмах. Жаростойкие свойства металлокерамики возрастают с добавлением в ее состав хрома, никеля и вольфрама.
Практически все современные магнитные детали производятся из металлических порошков. Технология порошковой металлургии позволяет получить соединения железа с различными силикатами.
Применяют металлокерамические изделия также для фильтрации газов и горючих веществ.
Будущее порошковой металлургии
Развитие порошковой металлургии обязано преследовать цель увеличения номенклатуры изделий, которые мастера могут изготовить этим способом.
Детали сложных конфигураций, которые сейчас получают на заводах только обработкой резанием, должны в будущем изготавливаться методами порошковой металлургии. Это позволит уменьшить материалоемкость производства сложных деталей.
Дальнейшая автоматизация производственного процесса – отличительная черта современных промышленных предприятий. Касается она и производства изделий из металлических порошков.
Снижение влияния человеческого фактора на технологический процесс, повышает точность изготовления деталей.
Качество изделий порошковой металлургии с течением времени должно конкурировать с передовыми технологиями производства деталей машин и механизмов. Повышение качества и снижение себестоимости готовой продукции – приоритетная задача предприятий порошковой металлургии.
Про порошковую металлургию — достоинства и недостатки
Процесс порошковой металлургии является относительно новым и имеет ряд преимуществ по сравнению с процессом литья металла. Тем не менее, этот процесс не может полностью заменить функцию литья, имеет свои преимущества и недостатки.
Преимущества порошковой металлургии в том, что качество и эффективность полученного материала получается высокой. В результате процесса можно сделать результирующий материал у которого плотность и температура его плавления будут достаточно высоки.
Недостаток процесса порошковой металлургии заключается в ограниченности формы и точности, которые могли бы быть сделаны.
Порошок для сырья (частицы имеют размер от 0,01 до 500 мкм) — это одна из фундаментальных проблем, которые также необходимо решать. Хотя запасы руды большие, но этот порошок требуется изготовить.
Кроме того чтобы выявить преимущества и недостатки порошковой металлургии необходимо рассмотреть:
Процесс производства металла порошковой металлургией достаточно известен с 18-го века.
Порошковая металлургия — это процесс формирования заготовки из товарного металла, при котором металл сначала разрушается до образования муки, затем прессуется в пресс-форме и нагревается ниже температуры плавления порошка так, чтобы образовалась заготовка. Так что перемешивание частиц металла обусловлено механизмом переноса массы за счет диффузии атомов между поверхностями частиц. Метод подразумевает скрупулезное отношение к составу и использованию смеси.
Продукт порошка может состоять из смеси порошков различных металлов и других материалов, чтобы увеличить твердость и качество объектов в целом.
Кобальт или железо связывают частицы вольфрама, графит добавляют в металлические подшипники для повышения качества подшипников и т.д.
Этапы производства в порошковой металлургии
Шаги, которые необходимо пройти и чтобы определить преимущества порошковой металлургии, в том числе:
Существует несколько способов изготовления порошка, среди прочих:
Смешивание
Смешивание порошка может быть произведено путем смешивания различных металлов и других материалов для обеспечения лучших физико-механических свойств.
Существует два вида смешивания, а именно:
Определяющими факторами однородности распределения частиц являются скорость перемешивания, продолжительность времени перемешивания, размер и тип частиц, температура и среда процесса. Чем больше скорость смешивания тем более однородным получается распределение частиц.Однородность смеси сильно влияет на процесс прессования (уплотнения), поскольку сила сжатия, заданная в момент уплотнения, будет распределена равномерно, так что качество связи между частицами будет лучше.
Прессование (уплотнение)
Прессование-это процесс сдавливания порошка в желаемую форму в соответствии с пресс-формой. Существует 2 вида способа уплотнения, а именно:
Суть прессования, чтобы порошок мог прилипать друг к другу до улучшения его связи процессом спекания. В процессе получения сплава методом порошковой металлургии связующий порошок образуется в результате сцепления между поверхностью, взаимодействие путем адгезии и диффузии между поверхностью, которые могут возникать в процессе спекания. Форма предметов, которые снимаются с прессования, так называемые компактные сырьевые материалы, должны напоминать конечный продукт, но его прочность все равно невысока.
Чтобы избежать возникновения разницы в плотности в момент прессования используется смазка, направленная на уменьшение трения между частицами и стенками пресс-формы. При использовании смазочного материала выбирается такой, который не реагирует с порошковой смесью и который имеет низкую температуру плавления, так чтобы в процессе спекания исходный уровень смазочного материала испарился.
В процессе уплотнения возможны 3 модели склеивания:
Нагрев (спекание)
Нагрев при температуре ниже температуры плавления композиционных материалов называется спеканием.
В процессе спекания образуются твердые предметы из–за образующейся связи. Тепло вызывает единство частиц и эффективность реакции поверхностного натяжения повышается. Другими словами, процесс спекания вызывает слияние частиц таким образом, что плотность увеличивается. В ходе этого процесса образуются границы зерен, что является стадией перекристаллизации. Температура спекания обычно составляет 0,7-0,9 от температуры плавления. Время нагрева зависит от типа металла. Окружающая среда непосредственно внутри штампа очень важна, потому что сырье состоит из мелких частиц, которые имеют большую площадь поверхности. Поэтому окружающая среда должна состоять из газа восстановления или азота, чтобы предотвратить возникновения оксидного слоя на поверхности во время процесса спекания.
Параметры спекания включают температуру, время, скорость охлаждения, скорость нагрева, атмосферное спекание и тип материала.
Исходя из характера склеивания, возникающего в процессе сжатия, можно выделить 2 явления, которые могут возникнуть в момент спекания, а именно:
Если в момент уплотнения образуется рисунок склеивания шарикового поля, то в процессе спекания образуется усадка, возникающая из-за того, что в процессе спекания газ (смазка), находящийся на пористости, испытывает дегазацию (выделение газа в момент спекания). А если температура спекания будет постоянно повышаться, то произойдет диффузия на поверхности между частицами матрицы и наполнителя, на которой окончательно образуется жидкий мостик горловины (образуется фазовая смесь между матрицей и наполнителем). Жидкий мостик покрывает пористость.
Возможно при уплотнении образуется сцепление между частицами в виде закрытых объемов, вызывающих улавливание газа/смазки внутри материала. В момент спекания захваченный газ не успел выйти наружу, но жидкий мостик уже произошел, так что путь был закрыт. Газ, попавший в эту ловушку, будет проталкиваться в любом направлении так, что произойдет вздутие (расширение), так что давление будет выше, чем давление снаружи. Если качество связующей поверхности частиц в композиционном материале низкое, то он не сможет выдержать большее давление и произойдут трещины (растрескивание). Трещины также могут возникать в результате процесса менее совершенного уплотнения, наличия теплового удара в момент нагрева за счет теплового расширения матрицы и наполнителя.
Процесс спекания включает в себя 3-ступенчатый нагревательный механизм:
На момент финишной обработки пористость полностью спеченного материала все еще значительна (4-15%). Для улучшения свойств могут проводить термообработку.
Преимущества и недостатки порошковой металлургии
Преимущества процесса порошковой металлургии, среди прочих:
Недостаток порошковой металлургии, в том числе:
Заключение
Можно сделать вывод, что порошковая металлургия представляет собой процесс формирования заготовки из товарного металла, при котором металл сначала разрушается в виде муки, затем мука прессуется в пресс-форме и нагревается ниже температуры плавления порошка таким образом, чтобы образовалась заготовка.
Этапы, которые необходимо пройти по порошковой металлургии, среди прочих: подготовка и изготовление порошков, смешивание (перемешивание), упор (уплотнение) и нагрев (спекание).
Порошковая металлургия
Из металлов и различных сплавов могут производиться порошковые составы. Они могут применяться самым различным образом для защиты заготовок и деталей. Порошковая металлургия – активно развивающаяся область, которая имеет огромное количество особенностей. Это направление металлургии появилось более ста лет назад.
Получение порошков
Для производства порошка могут применяться самые различные технологии, но их объединяют следующие моменты:
Рассматривая наиболее распространенные технологии порошковой металлургии отметим, что они делятся на две основные группы:
Кроме этого, выделим следующие особенности производства порошка:
Некоторые из приведенных выше технологий порошковой металлургии получили большое распространение в промышленности по причине высокой производительности и эффективности, другие сегодня практически не применяются из-за повышения стоимости получаемого сырья.
Компактирование
Порошковая металлургия также предусматривает проведение процедуры, которая основана на получении полуфабрикатов в виде прутков и лент. После прессования можно получить практически готовое к применению изделие.
К особенностям процесса компактирования можно отнести нижеприведенные моменты:
Принцип порошковой металлургии
Рассматривая процесс прессования порошка, отметим применение следующих технологий:
Для того чтобы ускорить процесс компактирования, изделия порошок подвергается воздействию высокой температуры. В большинстве случаев расстояние между отдельными частицами уменьшается за счет воздействия высокого давления. Большой прочностью обладают порошки, изготавливаемые из мягких металлов.
Спекание
Финальный этап в порошковой металлургии заключается в воздействии высокой температуры. Практически любой метод порошковой металлургии предусматривает воздействие высокой температуры. Проводится спекание для достижения следующих целей:
Для термического воздействия проводится установка специального оборудования. Защитная среда, как правило, представлена инертными газами, к примеру, водородом. Процесс спекания может проводится и в вакууме для повышения эффективности применяемой технологии.
Индукционный метод нагрева также пользуется большой популярностью. Он предусматривает использование индукционных печей, которые производят или изготавливают своими руками. В продаже встречается оборудование, способное объединять несколько технологических процессов: спекание и прессование.
Применение продуктов порошковой металлургии
Порошковую металлургию применяют в авиации, электротехнике, радиотехнике и многих других отраслях промышленности. Это связано с тем, что применяемая технология производства позволяет получать детали сложной формы. Кроме этого, современные технологии порошковой металлургии позволяют получить детали, обладающие:
Продукция порошковой металлургии
Также распространение этой технологии можно связать с низкой себестоимостью получаемых изделий.
Достоинства и недостатки
Метод получения изделий из порошков получил достаточно широкое распространение по причине большого количества достоинств:
Металлургический порошковый метод характеризуется и несколькими недостатками:
Сегодня порошковая металлургия активно применяется в самых различных отраслях промышленности. Кроме этого, ведутся разработки, которые направлены на улучшение качества получаемых изделий.
В заключение отметим, что при соединении мелких частиц различных металлов и сплавов получаются материалы с особыми эксплуатационными качествами.