Краткие сведения о современном развитии отрасли. Технологические свойства порошков.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ

по дисциплине

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Раздел №5

«Основы порошковой металлургии»

Направление подготовки:

Специальность:

Формы обучения очная

Тула 2011 г.

РАЗДЕЛ 5.1. ПОРОШКОВАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ: КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О РАЗВИТИИ, ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ, СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ

План:

5.1.1. История развития порошковой металлургии.

5.1.1. Краткие сведения о современном развитии отрасли.

5.1.2. Преимущества и недостатки порошковой металлургии.

5.1.3. Способы получения металлических порошков:

5.1.3.1. механические;

5.1.3.2. химические;

5.1.3.3. физико-химические

5.1.4. Составление смеси порошков.

Краткие сведения о современном развитии отрасли. Технологические свойства порошков.

Порошковая металлургия - отрасль технологии, занимающаяся производством металлических порошков и деталей из них. Сущность порошковой металлургии заключается в том, что металлический порошок или смеси порошков прессуют в заготовки, которые затем подвергают термической обработке - спеканию.

Порошковые материалы были известны еще в глубокой древности, однако, начало промышленного производства порошковых сплавов было положено в 1827 г. русским ученым металлургом Соболевским П.Г., разработавшим в лаборатории Петербургского горного кадетского корпуса (впоследствии горного института) технологию производства изделий из тугоплавкого металла платины.

В конце XIX-го и начале XX-го столетий начали готовить из тугоплавкого вольфрама нити для электроламп, медно-графитовые щетки для электрических машин, изготовить которые обычными металлургическими методами было невозможно.

В дальнейшем порошковая металлургия начала находить все новые и новые области применения.

Порошковой металлургией получают детали из особо тугоплавких металлов таких как вольфрам, тантал, молибден с температурой плавления свыше 2000 ⁰С. Тугоплавкие карбиды, бориды, нитриды могут быть получены только методами порошковой металлургии. Температура спекания изделий из тугоплавких карбидов титана, циркония, гафния превышает 2000 ⁰С, для карбидов ниобия и тантала достигает 2500…2700 ⁰С.

Способами порошковой металлургии можно получать пористые материалы и детали из них, материалы из металлов нерастворимых друг в друге (вольфрам и медь, железо и свинец и другие).

Велика роль порошковой металлургии в создании деталей для космических кораблей. Из металлических порошков делают фильтры для топливных систем ракет, детали для узлов двигателей, магниты, сопла и другие.

Материалы порошковой металлургии, в частности, железографит и бронзографит заменяют бронзу, латунь, медь, никель и другие цветные металлы и сплавы; электроконтактные композиции позволяют сократить расход серебра, золота, иридия и платины.

Можно создавать порошковые композиции с заданными свойствами для определённых условий работы (износоустойчивость, работа в агрессивных средах, при высоких нагрузках и другие). Известно, что в машине быстро изнашиваются трущиеся сочленения. При замене подшипников из бронзы и баббита на подшипники из композиционных материалов для ткацких станков срок службы их увеличился в 3-8 раз. Подсчитано, что использование 1 тыс. тонн деталей из порошков высвобождает от 1,5 до 2 тыс. тонн проката или отливок.

Большие возможности открываются в области экономии металла при использовании технологий порошковой металлургии, которые обеспечивают коэффициент использования металлов до 0,95, упрощается производственный цикл и снижается трудоемкость вследствие уменьшения числа операций и сокращения их продолжительности. Кроме того, для получения порошков многих металлов (железного, никелевого, медного) используют отходы различных производств.

В настоящее время разработана технология получения деталей из спеченного алюминиевого порошка (САП) и спеченных алюминиевых порошков сплавов алюминия (САС).

Особую группу изделий, производство которых освоено в порошковой металлургии представляют “керметы”. Это тугоплавкие окислы и другие соединения, сплавленные с металлами. Они выдерживают очень высокие температуры (несколько тысяч градусов) и, соответственно, применяются в областях техники, связанной с действием высоких температур (реактивная техника, котлостроение, металлургия).

Во всем этом большая заслуга принадлежит русским, советским и российским ученым и практикам.

Благодаря значительным преимуществам порошковая металлургия развивается успешно, хотя сдерживающим фактором являются ее недостатки:

– высокая стоимость пресс-форм, поэтому данный метод получения изделий целесообразно применять в массовом производстве;

– высокая стоимость металлических порошков;

– ограниченность размеров изделий и в ряде случаев пониженная их прочность;

– низкая стойкость пресс-форм при горячем прессовании.

Но, несмотря на недостатки, производство изделий методами порошковой металлургии расширяется благодаря освоению новых прогрессивных методов изготовления, значительно удешевляющих продукцию.

Порошковая металлургия обеспечивает народное хозяйство страны многими материалами: конструкционными, фрикционными и антифрикционными - машиностроение; электроконтактами, магнитами всех видов, катодами, резисторами - электротехнику и электронную промышленность; твердыми и сверхтвердыми инструментальными сплавами - металлообрабатывающую и горнодобывающую отрасли промышленности; жаростойкими и высокопрочными материалами - космическую технику и атомную энергетику; химическими и термостойкими материалами, катализаторами, огнеупорными и другими видами продукции - химическую и металлургическую промышленность и другие.

Металлические порошки состоят из очень мелких частиц (0,5-500 мкм) (1 мкм – 1 микрон – 0,001 мм) различных металлов и сплавов.

Основными технологическими свойствами порошков являются текучесть, прессуемость и спекаемость.

Текучесть - способность порошка заполнять форму. Текучесть ухудшается с уменьшением размеров частиц порошка и повышением влажности. Количественной оценкой текучести является скорость вытекания порошка через отверстие диаметром 1,5-4,0 мм в секунду.

Прессуемость - характеризуется способностью порошка уплотняться под действием внешней нагрузки и прочностью сцепления частиц после прессования. Прессуемость порошка зависит от пластичности материала частиц, их размеров и формы и повышается с введением в его состав поверхностно-активных веществ.

Под спекаемостью понимают прочность сцепления частиц в результате термической обработки прессованных заготовок.

Порошковая металлургия открывает большие возможности экономии металла. Изготовление деталей из металлических порошков и их комбинаций повышает коэффициент использования металла до 0,95. К тому же для получения железного, никелевого, медного порошков используются отходы. Потери при формовании изделий из порошков незначительны. Можно создать порошковые композиции с заданными свойствами для определённых условий работы (износоустойчивость, работа в агрессивных средах, при высоких нагрузках и др.). Известно, что в машине быстро изнашиваются трущиеся сочленения, выполненные из антифрикционных материалов типа бронзы и баббита. Порошковые композиции обладают значительно более высокими антифрикционными свойствами и могут успешно заменить эти дорогостоящие металлы и сплавы. Например, срок службы подшипников из композиционных материалов для ткацких станков увеличился в 3-8 раз. Подсчитано, что использование 1 тыс. тонн деталей из порошков высвобождает от 1,5 до 2 тыс. тонн проката или отливок. На Горьковском автозаводе, например, замена бронзы металлокерамическими материалами на основе железного порошка при изготовлении только шести деталей позволила сэкономить 370 тонн металла, в том числе около 115 тонн бронзы.

Основатель современной отрасли науки академик П. А. Ребиндер полагал, что путь к прочности лежит через разрушение. Он говорил, раздробляя исходное сырьё на литейные частицы можно получить новые материалы небывалой прочности.

Технология порошковой металлургии позволяет получать более прочные конструкционные материалы, чем при плавке электронным лучом.

Большая прочность изделий порошковой металлургии объясняется в основном, высоким содержанием примесей, образующих твердые растворы внедрения. Экономичность порошковой металлургии особенно заметна при больших масштабах производства. Так, автомобильная промышленность все шире использует изделия порошковой металлургии – у современного автомобиля более 500 таких деталей. На автомобильную промышленность США приходится 60 % всего выпуска деталей, изготовленных из металлических порошков.

Порошковая металлургия открывает новые перспективы в использовании сплавов молибден и ниобий, для которых технологические операции плавки и обработки давлением применять крайне сложно. В этом случае весьма перспективно гидростатическое прессование шихты под давлением 2 тыс. атмосфер и выше (вода, масло, глицерин; оболочка - эластичная). Можно этим методом получить изделия очень сложной формы.

Преимущества порошковой металлургии весьма ощутимы при производстве дорогостоящих материалов, например, циркониевых сплавов. Так, для изготовления суппорта весом 6,5 кг требуется поковка массой, а получаемого методом порошковой металлургии количество необходимого порошкообразного сырья снижается до 9 кг.

Кроме экономии металлов, при изготовлении изделий из металлических порошков значительно упрощается производственный цикл и снижается трудоемкость вследствие уменьшения числа операций и сокращения их продолжительности.

В настоящее время разработана технология получения деталей из спеченного алюминиевого порошка (САП). В своем составе он содержит до 15 % оксидов алюминия, которые в виде тонкой пленки покрывают зерна алюминия и образуют в спеченном материале непрерывный каркас. Такая структура придает материалу высокую теплостойкость. Этот материал может длительное время работать при температурах до 600 ^О С.

Применяют САП для изготовления компрессорных лопаток, поршней, колец для газовых турбин и т.д.

Особую группу изделий, производство которых освоено в порошковой металлургии представляют «керметы». Это тугоплавкие окислы и другие соединения, сплавленные с металлами.

Они выдерживают очень высокие температуры /несколько тысяч градусов/, и соответственно применяются в областях техники, связанной с действием высоких температур (реактивная техника, котлостроение, металлургия).

Во всем этом большая заслуга принадлежит русским, советским и российским ученым и практикам.

Развитие народного хозяйства страны ставит задачу получения новых материалов и расширения номенклатуры изделий из металлических порошков и тугоплавких соединений. Решение этой задачи ведется по следующим основным направлениям:

- создание и освоение новых технологических процессов и оборудования для производства порошков;

- разработка новых технологий формирования и спекания машиностроительных деталей, в основном сложной формы с использованием как холодного, так и новых способов формования – изостатического и горячего динамического прессования, штамповки, прокатки, электроразрядного спекания и энергии взрыва;

- создание и освоение производства спеченных дисперсноупрочненных и армированных волокнами жаропрочных композиционных и огнеупорных материалов на основе порошков бескислородных тугоплавких соединений, порошков металлов и сплавов;

- создание и освоение производства спеченных материалов для деталей машин, приборов, оснастки работающих в условиях действия высоких напряжений, температур, агрессивных сред, инертных сред и интенсивного износа;

- создание и освоение новых электроконтактных материалов для разрывных и скользящих контактов, приборов и др.

Порошковая металлургия развивается благодаря значительным преимуществам, хотя сдерживающим фактором являются её недостатки.

Дата добавления: 2015-07-18