Направления развития порошковой металлургии

Развитие порошковой металлургии идет по следующим направлениям.

1. Дальнейшее развитие получает способ производства порошков путем распыления струи жидкого металла водой или инертным газом.

Так в Японии в городе Ивая введена в эксплуатацию установка для производства легированных железных порошков. В США имеется подобная установка, на которой можно изменять в широком диапазоне параметры распыления при производстве легированных порошков, в частности хром- и маргацесодержащих. Изготовленные из них кованые детали дешевле, чем из никель-молибденовых порошков, а свойства эквивалентны свойствам компактных деформированных сталей. В Великобритании работает установка по распылению порошков различных металлов, в том числе коррозионностойких и быстрорежущих сталей. В Канаде действует установка по производству нового железного порошка со сферической формой частиц, который применяется в установке с плоской печатью в высокоскоростных копировальных аппаратах.

2. Продолжаются работы по получению порошков из вторичного сырья и других промышленных отходов.

Японские фирмы широко применяют для получения порошков способ измельчения стальной и чугунной стружки. Разработан способ получения мелкодисперсного порошка с размером частиц 0,5 мкм. Такой порошок отличается высокой химической стабильностью, он почти не окисляется на воздухе. Магнитные характеристики у него такие же, как у чистого железного порошка.

Разработан способ получения железных порошков вакуумным методом. Этот способ может найти применение для производства железного порошка из промышленных сточных вод, отработанных растворов цинкования, а также пылей доменного и сталеплавильного производства. Приоритет в области ультрадисперсных порошков железа из его окислов принадлежит Японии.

Последнее достижение в этой области - получение порошков жаропрочных и других сплавов плазменным процессом вращающимся электродом (процесс ПРЕП). Эти порошки применяются для производства деталей двигателей реактивных самолетов, промышленных газовых турбин, буровых вентилей, используемых при глубоком бурении нефтяных скважин.

В США разработан способ получения порошков центробежным способом распыления, при котором поток жидкого металла диспергируется, падая на медный диск, вращающийся со скоростью 24 тыс. об/мин., и образующиеся капли охлаждаются потоком гелия.

3. Разработка новых технологий формования порошков в изделия

Фирма "Parmatech Corp" (США) занимается промышленным производс-

твом порошковых деталей с использованием способа литья под давлением. Тонкий металлический порошок смешивается со связующим органическим материалом. Пластифицированная смесь подается в обычную машину для литья под давлением и заливается в форму. Затем из полученной формовки удаляется связующее, после чего ее спекают до полной плотности.

Этим способом получают очень сложную деталь с внутренней резьбой - никелевое кольцо для уплотнения механизма привода закрылков самолетов "Боинг 707 и 727". Раньше эта деталь была литой, и получали ее за 14 операций механической обработки, полученная по новой технологии нуждается только в незначительном шлифовании и калибровке.

Возрастает интерес к использованию процесса холодного изостатического прессования (ХИП). Этим способом изготавливают трубчатые фильтры из коррозионностойкой стали; в Швеции изготавливают цилиндрические вкладыши для бензиновых и дизельных двигателей вместо изготовляемых ранее центробежным литьем. Выход годного возрос с 25 % до 85 %. Автоматически прессовки подают в печь для спекания при 1100 C в течение 20-30 минут.

В последние годы определилась тенденция к усложнению геометрии заготовок, получаемых ХИП, например, турбинные и компрессорные диски реактивных двигателей. Суть в том, что струя жидкого металла распыляется высокоскоростной струей инертного газа, и горячие частицы попадают в установленный в камере распыления коллектор, где свариваются, образуя высокоплотную заготовку.

Намечается в дальнейшем получение продукции этим способом из штамповых, быстрорежущих специальных коррозионностойких сталей, жаропрочных никелевых сплавов.

Осваивается новая технология получения порошков высоколегированных сплавов быстром затвердевании расплава (БЗР). С помощью этой технологии можно получать совершенно новые материалы с сочетанием свойств, которые в настоящее время кажутся нереальными.

При изготовлении порошков БЗР используются способы центробежного и ультразвукового распыления, процесс с вращающимся электродом и другие способы. Последние достижения в области БЗР в основном связаны с повышением чистоты получаемого порошка, однородности его гранулометрического состава и экономичности производства.

Крупнейшая в мире установка БЗР находится в США с начальной мощностью около 900 т/год порошка.

4. Усложнение геометрии, повышение точности размеров деталей и сведение к минимуму их окончательной обработки.

Это направление связано с разработкой технологий получения сложных деталей, например прессование блока из спиральной и прямозубой шестернями, деталей типа осей с большим отношением длины к диаметру (до 27), комбинированную деталь для двухтактных двигателей из сцепления и шестерни и др.

Другое направление получение сложных и качественных деталей - это использование различных способов соединения простых элементов деталей свариванием, совместным спеканием, сплавлением, пайкой.

5. Получение деталей из порошков с применением горячей ковки.

В Канаде введен в строй цех по производству изделий из порошков методом горячей ковки.

Широкого применения этот способ пока не нашел, т.к. стоимость поковок высокая, а быстрое улучшение прочностных изделий достигается уже при спекании без ковки в результате использования высококачественных порошков, легированных медью, никелем, молибденом, хромом и марганцем.

Тем не менее предполагают, что производство кованых порошковых деталей будет расширяться.

Наибольший интерес в этом плане представляют детали массой 0,5-1 кг сложной формы с жесткими допусками на размеры.

Прослеживая развитие порошковой металлургии в нашей стране за последние 50 лет, можно сформулировать следующие характерные особенности.

1. Заметно возросло число работ, посвященных получению легированных сталей и сплавов, а также материалов на основе порошков цветных металлов.

2. Значительно повысилась плотность порошковых конструкционных материалов с 15-25 %, до 15 % и менее, и началось производство практически беспористых деталей. Это потребовало изучения и разработки новых, более энергоемких методов формования, применения более стойких материалов для пресс-форм.

3. Значительно усложнились формы конструкционных деталей и предприятиями освоен выпуск изделий практически всех групп сложности.

4. Разработаны и широко применяются методы термической, химикотермической и термомеханической обработок порошковых конструкционных деталей, а также методы нанесения химический и гальванических защитных и декоративных покрытий.

5. Созданы и впервые освоены промышленностью не имеющие аналогов новые конструкционные материалы для новой техники, изготовляемые только методами порошковой металлургии (с неравновесной структурой, металлостеклянные, металлопластмассовые, дисперсноупрочненные, волоконные, многослойные и др.)

6. Высокий уровень исследований в области изучения процессов структурообразования позволил перейти от чисто эмпирического поиска к целенаправленному научно обоснованному созданию материалов для конкретных условий эксплуатации.

7. Расширились работы по стандартизации порошковых конструкционных материалов, методов их получения и испытания, что позволило резко снизить их номенклатуру и сэкономить значительное количество легированных порошков.

8. Создан и организован промышленный выпуск специализированного оборудования для всех технологических операций.

9. Созданы типовые промышленные технологические процессы и типовые проекты, участки и цехи порошковой металлургии, что в значительной степени облегчает создание и организацию соответствующих производств.

Отечественный и зарубежный опыт показывает, что в ближайшем будущем, несомненно, следует ожидать непрерывного расширения производства порошковых конструкционных деталей и их все более широкого внедрения практически во все отрасли машино- и приборостроения, что позволит резко снизить трудо-, материало и энергоемкость производства. Следует также отметить, как правило, более высокий технический уровень машин и приборов, при изготовлении которых используются порошковые материалы, в том числе конструкционные. Во многих случаях применение порошковых конструкционных материалов позволяет создавать принципиально новые машины, приборы и аппараты для работы в экстремальных условиях.

Таким образом, дальнейший прогресс в создании новых порошковых материалов конструкционного назначения с заданными свойствами, в технологии получения изделий из них, широкое внедрение результатов исследований в производство позволят решить важные проблемы, поставленные быстрым развитием современного машино- и приборостроения.

Вполне реально получение порошковых сталей с пределом прочности 2800-3000 МПа. Для материалов на титановой основе, по-видимому, реально достижение уровня предела прочности 1600-1800 МПа, на алюминиевой и магниевой основе - соответственно 900-950 и 500-550 МПа.

Можно ожидать расширения работ по улучшению порошковых конструкционных материалов на основе латуней, бронз, монелей, инваров, коваров и некоторых других цветных сплавов. В случае снижения стоимости порошков благоприятны перспективы применения титановых изделий, которые характеризуются сочетанием повышенной прочности с высокой коррозионной стойкостью и повышенной пластичностью. Вполне реально также освоение промышленностью технологии изготовления порошковых деталей все большей сложности, точности, размеров и массы. Все это предполагает резкое расширение производства и применения порошковых конструкционных материалов и изделий из них (объем производства в ближайшие 15-20 лет может достигнуть нескольких сотен тонн).

Итак, зародившись в глубокой древности, в результате длительного процесса эволюции, используя богатый арсенал знаний в смежных областях механики, физики твердого тела, химии, с учетом современных методик исследования, а также опыта зарубежных исследований, технологий и методов смежных направлений, особенно обработки давлением и термической обработки, к настоящему времени сформировалось самостоятельное учение о порошковых материалах конструкционного назначения, являющееся важной частью современного материаловедения.

Дата добавления: 2015-07-18