ГЛАВА VII. СПЛАВЫ, ПОЛУЧАЕМЫЕ МЕТОДАМИ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

§ 31. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

Методы получения порошков. Методами порошковой металлургии можно получать сплавы из металлов, не растворяющихся друг в друге при расплавлении, а также сплавы из тугоплавких металлов и металлов особо высокой чистоты. Порошковой металлургией изготовляют как заготовки, так и разнообразные детали точных размеров. Порошковая металлургия позволяет получать пористые материалы и детали из них, а также детали, состоящие из двух (биметаллы) или нескольких слоев различных металлов и сплавов. Методы порошковой металлургии позволяют получить материалы и детали, обладающие высокой жаростойкостью, износостойкостью, твердостью, с заданными стабильными магнитными свойствами, особыми физико-химическими, механическими и технологическими свойствами, которые невозможно получить методами литья или обработкой давлением.
Процесс производства деталей и изделий из порошковых материалов заключается в приготовлении металлического порошка, составлении шихты, прессовании и спекании заготовок. Металлические порошки получают механическими и физико-химическими методами.
При механических методах порошки вырабатывают измельчением твердых или распылением жидких металлов без изменения их химического состава. Для измельчения твердых хрупких материалов применяют шаровые, вихревые и вибрационные мельницы. Измельчение обрабатываемого материала производят ударным и истирающим действием шаров (стальных или чугунных). Следует учитывать, что при получении металлических порошков механическими методами возможно их загрязнение.
Шаровая мельница состоит из стального барабана, в который загружают размалывающие шары и обрабатываемый материал. Частицы порошка, полученного в шаровых мельницах, имеют вид неправильных многогранников размерами 100-1000 мкм. Размол в вихревых мельницах более интенсивен, чем в шаровых. В камере вихревой мельницы имеется два пропеллера, которые, вращаясь в противоположные стороны, создают пересекающиеся воздушные потоки. Материал (рубленая проволока, стружка, обрезки и другие мелкие кусочки), загруженный в камеру, захватывается воздушными потоками и за счет взаимного соударения дробится на частицы размером от 50 до 200 мкм. Полученные частицы имеют тарельчатую форму и зазубренные края.
Для получения тонких порошков из хрупких карбидов металлов и окислов применяют вибрационные мельницы. Вибромельницы наиболее производительны, их работа основана на высокочастотном воздействии на измельчаемый материал стальных шаров и цилиндров за счет совершения барабаном мельницы круговых колебаний высокой частоты.
Для получения порошков из олова, свинца, алюминия, меди, а также из железа и стали применяют распыление струи жидкого металла кинетической энергией воздуха, воды, пара или инертных газов. Полученные частицы порошка имеют размеры 50-350 мкм и фирму, близкую к сферической.
При получении порошков физико-химическими методами происходят изменения химического состава и свойств исходного материала. Основными физико-химическими методами являются химическое восстановление металлов из окислов, электролиз расплавленных солей, карбонильный метод и метод гидрогенизации.
Химическое восстановление окислов металлов осуществляют газообразными или твердыми восстановителями. В качестве газообразных восстановителей широко используют природный, доменный и углекислый газы, а также водород. Получающуюся при химическом восстановлении металлическую губку подвергают размолу. Среди физико-химических методов получения порошков этот метод наиболее дешевый. Порошки чистых и редких металлов (тантала, циркония и др.) в виде дендритов величиной 1-100 мкм получают электролизом расплавленных солей металлов. Электролиз позволяет получать чистые порошки из загрязненного сырья. Карбонильный метод позволяет получать порошки магнитного железа, никеля и кобальта в виде сфероидов величиной 1-800 мкм. Получающийся этим методом продукт при температуре 200-300°С распадается на порошок металла и окись углерода. В основе метода гидрогенизации лежит восстановление хрома гидратом кальция. Получающаяся при этом известь вымывается водой, а порошок металла состоит из дендритов величиной 8-20 мкм.
Порошки, полученные физико-химическими методами, являются наиболее тонкодисперсными и чистыми. В зависимости от размера частиц порошки классифицируют по гранулометрическому составу на ультратонкие до 0,5 мкм, очень тонкие 0,5-10 мкм, тонкие 10-40 мкм, средней тонкости 40-150 мкм и крупные 150-500 мкм.
Характеристиками основных технологических свойств порошков являются насыпная масса, текучесть, прессуемость и спекаемость.
Насыпная масса - масса 1 см³ свободно насыпанного порошка в граммах. Если порошок имеет постоянную насыпную массу, то при спекании будет обеспечиваться постоянная усадка. Один и тот же порошок может иметь различную насыпную массу в зависимости от способа получения..Для изготовления высокопористых изделий следует использовать порошки с малой насыпной массой, а для разнообразных деталей приборов и машин - с большой насыпной массой.
Текучесть - способность порошка заполнять форму. Она характеризуется скоростью прохождения порошка через отверстие определенного диаметра. С уменьшением размера частиц порошка его текучесть ухудшается. Текучесть в большей степени влияет на равномерность заполнения формы порошком и на скорость уплотнения при прессовании.
Прессуемость - способность порошка уплотняться под действием внешней нагрузки и характеризуется прочностью сцепления частиц порошка после прессования. На прессуемость оказывают влияние пластичность материала, размер и форма частиц порошка. С введением в состав порошков поверхностно-активных веществ прессуемость их повышается.
Под спекаемостью понимают прочность сцепления частиц, возникающую в результате термической обработки прессованных заготовок.
Приготовление шихты. Дозированные порции порошков определенного химического и гранулометрического состава и технологических свойств смешивают в барабанах, мельницах и других устройствах. При необходимости особо равномерного перемешивания шихты применяют добавки спирта, бензина, глицерина и дистиллированной воды. Иногда в процессе смешивания вводят технологические присадки различного назначения: пластификаторы, облегчающие прессование (парафин, стеарин, глицерин и др.), легкоплавкие присадки, летучие вещества, позволяющие получать изделия с заданной пористостью.
Формование заготовок и изделий. Прессование порошков в холодном или горячем состоянии осуществляют прокаткой и другими способами.
При холодном прессовании в матрицу пресс-формы засыпают шихту и рабочим пуансоном производят прессование. После снятия давления изделие выпрессовывают из матрицы выталкивающим пуансоном. В процессе прессования частицы порошка подвергаются упругой и пластической деформациям, при этом резко увеличивается контакт между частицами порошка и уменьшается пористость, что дает возможность получить заготовку нужной формы и достаточной прочности. Прессование выполняют на гидравлических или механических (эксцентриковых, кривошипных) прессах. Давление прессования составляет 200-1000 МПа в зависимости от состава порошка и назначения изделия.
Широкое распространение получили прессы автоматического действия (рис. 50). Шихта, загружаемая в приемный бункер 1, перемещается в заполняющий рукав 2 под действием собственного веса. Рукав заканчивается над пресс-формой 3 и может перемещаться по столу 4 пресса. Положение нижнего выталкивающего пуансона 5 определяет количество засыпаемого порошка, т. е. в данном случае дозировка и питание пресс-формы совмещаются. После заполнения пресс-формы рукав отходит в сторону и дает возможность произвести давление посредством верхнего рабочего пуансона 6. Заготовка выталкивается нижним пуансоном, а рукав перемещается для следующей засыпки, одновременно сталкивая заготовку со стола в специальный лоток. Такие прессы иногда снабжаются вращающимися столами, на которых устанавливается несколько пресс-форм. Производительность автоматических прессов достигает нескольких тысяч заготовок в час.


При горячем прессовании в пресс-форме изделие не только формуется, но и подвергается спеканию, что позволяет получать беспористый материал с высокими физико-механическими свойствами. Горячее прессование можно осуществлять в вакууме, в защитной или восстановительной атмосфере, в широком интервале температур (1200-1800°С) и при более низких давлениях, чем холодное прессование. Приложение давления обычно производится после нагрева порошков до требуемой температуры. Этим методом получают изделия из трудно деформируемых материалов (боридов, карбидов и др.).
Прокатка металлических порошков является непрерывным процессом получения изделий в виде лент, проволоки, полос путем деформирования в холодном или горячем состоянии. Прокатку производят в вертикальном, наклонном и горизонтальном направлениях. Наилучшие условия формования изделия создаются при вертикальной прокатке. Сначала порошок из бункера поступает в зазор между вращающимися обжимными валками и обжимается в заготовку, которая направляется в проходную печь для спекания, а затем прокатывается в чистовых валках. Объем порошка при прокатке уменьшается в несколько раз. При прокатке ленты отношение диаметра валков к толщине ленты должно находиться в пределах от 100:1 до 300:1. Скорость прокатки порошков значительно меньше скорости прокатки литых металлов и ограничивается текучестью порошка. Поэтому линейная скорость поверхности вращающихся валков должна быть меньше скорости перемещения металлического Порошка из бункера в зазор между валками. Прокаткой можно получать однослойные и многослойные изделия, ленты толщиной 0,025-3 мм и шириной до 300 мм, проволоку диаметром от 0,25 мм и более и т. д. Непрерывность процесса обеспечивает высокую производительность и возможность автоматизации.
Для придания деталям и изделиям необходимой прочности и твердости их подвергают спеканию. Операция спекания состоит в нагреве и выдержке изделий некоторое время в печи при температуре, примерно равной 0,6-0,8 температуры плавления основного компонента. Спекание производят в электропечах сопротивления, индукционным нагревом или посредством непосредственного пропускания тока через спекаемое изделие. Для предотвращения окисления металлических порошков спекание ведут в аргоне, гелии, вакууме или в среде водорода. Во избежание коробления тонкие и плоские детали спекают под давлением. Для придания изделиям окончательной формы и точных размеров готовые изделия после спекания подвергают отделочным операциям: калиброванию, обработке резанием, химико-термической обработке и размерной обработке электрофизическими методами, повторному прессованию.
Калибрование заключается в продавливании спеченного изделия через отверстие соответствующего сечения в пресс-форме. В результате калибрования происходит уточнение размеров изделия, полирование его поверхности и некоторое снижение пористости.
Обработку резанием выполняют для получения из прессованных заготовок деталей сложных форм (волоки для волочения, твердосплавные вставки и матрицы штампов и т. д.), для нарезания наружных и внутренних резьб, для получения небольших по диаметру, но глубоких отверстий.
Химико-термическую обработку (азотирование, хромирование, цианирование и т. д.) выполняют так же, как и для металлов. Наличие пористости, а следовательно, и более развитой поверхности, способствует более активному осуществлению химико-термических процессов.
Электрофизические методы – электроискровую и электроимпульсную обработку применяют для получения деталей сложной формы. Сущность электроискровой обработки заключается в использовании электроимпульсного искрового разряда между двумя электродами, один из которых является обрабатываемой заготовкой (анод), а другой - инструментом (катод). При электроимпульсной обработке применяют обратную полярность включения электродов. Это приводит к меньшему износу инструментов – электродов и повышению производительности в несколько раз, чем при электроискровой обработке. Эти методы основаны на использовании явления эрозии (разрушения) токопроводящих электродов при пропускании между ними импульсного электрического тока. В результате возникающего разряда температура на поверхности обрабатываемой заготовки – электрода возрастает за очень малый промежуток времени до 10000-12000°С, металл мгновенно оплавляется и испаряется. Удаленный металл застывает в среде диэлектрической жидкости в виде гранул.
Повторное прессование используют для изготовления деталей сложной формы. Повторным прессованием обеспечиваются заданные размеры и требуемая форма заготовки, имеющей после первого прессования более простую форму и приближенные размеры.