Порошковая металлургия и дальнейшая перспектива ее развития

Плотность изделия достигает 60%, связь частиц обусловлена механическим зацеплением.

Этим способом изготовляют трубы,  сосуды и изделия сданной формы.

Динамическое прессование - это процесс прессования с использованием импульсных нагрузок. Процесс имеет  ряд  преимуществ: уменьшаются расходы на инструмент, уменьшается упругая деформация, увеличивается плотность изделий. Отличительной чертой процесса является скорость приложения нагрузки. Источником энергии являются:  взрыв заряда взрывчатого вещества,  энергия электрического разряда в жидкости,  импульсное магнитное поле,  сжатый газ,  вибрация.  В зависимости от источника энергии прессование называют   взрывным,  электрогидравлическим,  электромагнитным, пневмомеханическим и вибрационным. Установлено значительное выделение тепла в контактных участках частичек,  облегчающее процесс их деформирования и обеспечивающее большее уплотнение, чем при  статическом (обычном) прессовании.  Уплотнение порошка под воздействием вибрации происходит в первые 3-30 с.  Наиболее эффективно  использование  вибрации при прессовании порошков непластичных и хрупких материалов.  С применением  виброуплотнения удается получить равноплотные изделия с отношением высоты к ди-аметру 4...5:1 и более.

Спекание.

Спеканием называют процесс развития межчастичного сцепления и формирования свойств изделия, полученных при нагреве сформованного порошка. Плотность, прочность и другие физико-механические  свойства спеченных изделий зависят от условий изготовления: давления, прессования, температуры, времени и атмосферы спекания н других факторов.

В зависимости от состава шихты различают твердофазное  спекание  (т.е. спекание без образования жидкой фазы) и жидкофазное, при котором легкоплавкие компоненты смеси порошков  расплавляются.

Твердофазное спекание. При твердофазном спекании протекают следующие основные процессы:  поверхностная и объемная диффузия атомов, усадка, рекристаллизация, перенос атомов через газовую среду.

Все металлы имеют кристаллическое строение и уже  при  комнатной  температуре совершают значительные колебательные движения относительно положения равновесия. С повышением температуры энергия  и  амплитуда  атомов  увеличивается и при некотором их значение возможен переход атома  в  новое  положение, где его энергия и амплитуда снова увеличиваются и возможен новый переход в другое положение. Такое перемещение атомов носит название диффузии  и может совершаться как по поверхности (поверхностная диффузия),  так и р объеме тела (объемная диффузия). Движение атомов  определяется  занимаемым ими местом. Наименее подвижны атомы расположенные внутри контактных участков частичек  порошка,  наиболее подвижны атомы расположенные свободно - на выступах и вершинах частиц.  Вследствие этого,  т.е. большей подвижности  атомов  свободных  участков и меньшей подвижности атомов контактных участков, обусловлен переход значительного количества атомов к контактным участкам.  Поэтому происходит расширение контактных участков и округление пустот между частицами без изменения объема при поверхностной диффузии. Сокращение суммарного объема пор возможно только при объемной диффузии.  При  этом происходит  изменение геометрических размеров изделия - усадка.

Усадка при спекании может проявляться в изменении размеров и объема  и поэтому различают линейную и объемную усадку.  Обычно усадка в направлении прессования больше,  чем в поперечном направлении.  Движущей силой процессе усадки при спекании является стремление системы к уменьшению запаса  поверхностной  энергии, что  возможно только при сокращении суммарной поверхности честны,  порожке.  Но этой причине порошки с развитой  поверхностью уплотняются при спекании с наибольшей скоростью, как обладающие большие запасом поверхностной энергии.

При спекании иногда наблюдается нарушение процесса усадки.

Это нарушение выражается в недостаточной степени усадки  или  в увеличении объема. Причинами этого является: снятие упругих остаточных напряжений после прессования, наличие невосстанавливающихся окислов, фазовые превращения и выделение адсорбированных и образующихся при химических реакциях  восстановления  окислов газов.  Рост  объема  спекаемых тел наблюдается при образовании закрытой пористости и объеме пор более 7% (когда расширение газов  в  закрытых порах вызывает увеличение объема).  Пленки невосстанавливающихся окислов тормозят  процессы  диффузии,  препятствуя усадке.  На рис.  11 приведена кривая изменения усадки во времени при заданной температуре.

Рис.11 Усадка спрессованного порошка железа при 890 С при различном давлении: 1-400 мн/м2, 2-600 мн/м2,3-800 мн/м2, 4000 мн/м2.

Рекристаллизация при спекании  приводит к росту зерен и уменьшению суммарной поверхности частиц, что энергетически выгодно. Однако рост зерен ограничен тормозящим влиянием посторонних включении на поверхностях зерен:  порами, пленками, примесями. Различают рекристаллизацию внутризеренную и межчастичную.

Перенос атомов через газовую среду.  Это явление наблюдают при испарении вещества и конденсации его на  поверхности других частиц,  что происходит при определенной температуре. Такой перенос возникает из-за различной упругости  паров вещества над этими поверхностями, обусловленный их различной кривизной у нескольких соприкасающихся частиц. Перенос вещества увеличивает межчастичные связи и прочность сцепления частиц, способствует изменению формы пор, но не изменяет плотности при спекании.

Влияние некоторых  технологических  параметров на свойства спеченных тел. Свойства исходных порошков - величина частиц, их форма,  состояние поверхности, тип окислов и степень совершенства кристаллического строения - определяют скорость изменения плотности и свойства спрессованных  изделий.  При одинаковой плотности спеченных изделий механические и электрические свойства  тем выше,  чем меньше были частицы порошка,  шероховатость поверхности частиц и дефекты кристаллического строения способствуют усилению диффузии, увеличению плотности и прочности изделия.  Структура изделии спеченных из токоизмельченных  порошков отличается наличием большого числа крупных зерен, образовавшихся в результате рекристаллизации при спекании.  Увеличение давления  прессования приводит к уменьшению усадки (объемной и линейной),  повышению всех показателей прочности -  сопротивлению разрыву и сжатию, твердости. С повышением температуры плотность и прочность спеченных изделий в общем возрастает  тем  быстрее, чем ниже было давление прессования. Обычно температура спекания составляет 0,7...0,9 температуры плавления наиболее  легкоплавкого материала,  входящего в состав шихты (смеси порошков). Выдержка при постоянной температуре вызывает  сначала  резкий,  а затем  более  медленный  рост  плотности,  прочности  и  других свойств спеченного изделия. Наибольшая прочность достигается за сравнительно  короткое  время  и  затем почти не увеличивается.  Время выдержки для различных материалов длится от 30...45 минут до 2...3 часов. Атмосфера спекания влияет на показатели качества.  Плотность изделий выше при спекании  в  восстановительной, чем при спекании в нейтральной среде. Очень полно и быстро проходит спекание в вакууме,  которое по сравнения со спеканием  в нейтральной среде обычно начинается при более низких температурах и дает повышенную плотность изделия.

Температурный интервал  спекания разделяют на три этапа. На первом этапе (температура до 0.2...0.3 Тпл) плотность  почти не изменяется,  здесь удаляются пластифицирующие присадки и адсорбированные поверхностью частички газа, частично снимаются остаточные напряжения (1-го и частично 2-го рода),  ослабляется физическое взаимодействие  между  частицами  порошка.  На  втором этапе  (температура около 0,5 Тпл) развиваются процессы восстановления окислов и удаления газообразных  продуктов.  Плотность может  несколько  снижаться.  Третий - высокотемпературный этап (температура около О,9 Тпл) этап интенсивного спекания,  характеризуется значительным увеличением скоростей диффузионных процессов,  рекристаллизации,  развитием  полностью  металлических контактов, существенным увеличением плотности материала.

Горячее прессование это процесс одновременно прессования и спекания порошков при температуре 0.5...0.8 температуры плавления (Тпл) основного компонента шихты. Это позволяет использовать увеличение текучести шихты при повышенных  температурах  с целью получения малопористых изделий. В этом случае силы давления формования суммируются  с  внутренними  физическими  силами приводящими  к уплотнению.  Наиболее существенными результатами горячего прессования являются максимально быстрое  уплотнение и получение  изделия  с  минимальной пористостью при сравнительно малых давлениях. Механизм уплотнения идентичен наблюдаемому при обычном  спекании:  образование  межчастичного  контакта,  рост плотности с одновременным увеличением размеров частиц  и  дальнейший  рост  частиц при незначительном дополнительном уплотнении.  Изделия после горячего прессования обладают более высоким пределом текучести,  большим удлинением, повышенной твердостью, лучшей электропроводностью и более точными размерами, чем изделия  полученные  путем  последовательного прессования порядка и спекания.  Указанные свойства тем  выше,  чем  больше  давление прессования.  Горячепрессованные  изделия  имеют мелкозернистую структуру.

Горячее прессование нагретого порошка или заготовки выполняют в прессформе. Нагрев осуществляют обычно электрическим током (рис.  12).

Рис. 12 Схема двухстороннего горячего прессования в прессформах : а – косвенный нагрев, б – прямой  нагрев при подводе тока к пуансону, в – прямой  нагрев при подводе тока к матрице, г – индукционный нагрев ТВЧ графитовой прессформы;

1 – нагреватель, 2 – порошек, 3 –  изделие, 4 – матрица, 5 и 6 – пуансоны,7 – изоляция, 8 – графитовый контакт, 9 – графитовый пуансон, 10 – графитовая матрица, 11 – керамическая прокладка, 12 – индуктор, 13 – керамическая матрица.

До приложения давления к порошку прессформа с порошком или порошок могут быть нагреты и другим способом,  материалом  для  изготовления  прессформ служат жаропрочные стали (при температурах до  IOOO*C)  графит,  силицированный  графит, имеющий  повышенную  механическую прочность.  В настоящее время расширяется применение прессформ из тугоплавких окислов,  силикатов и других химических соединений.  Для предупреждения взаимодействия прессуемого материала с материалом прессформы  внутреннюю  поверхность  ее покрывают каким- либо инертным составом (жидкое стекло,  эмаль,  нитрид бора * др.) или металлической фольгой. Кроме того, для предупреждения окисления прессуемого изделия применяют защитные среды (восстановительные или  инертные) или вакуумирование.  Горячее прессование выполняют на специальных гидравлических прессах, имеющих устройства для регулирования температуры при прессовании.

Интенсификация процесса спекания достигается специальными приемами.  Для этого используют химические и физические способы активирования спекания.  Химическое активирование заключается в изменении состава атмосферы спекания. Так например добавка в атмосферу спекания хлористых или фтористых соединений способствует  активному соединению с ними выступов частичек, а образующиеся соединения  снова  восстанавливаются  до  металла, атомы которого конденсируются в местах с минимальным запасом свободной энергии. Оптимальной  является  5...10% концентрация хлористого  водорода в водородной восстановительной среде,  интенсивное уплотнение спекаемой заготовки наблюдается при добавке в порошок изделия малого количества металла с меньшей температурой плавления. Например,  к вольфраму добавляют никель,  к железу - золото и т.п. В настоящее время широко применяют физические способы активирования  спекания:  циклическое  изменение температуры,  воздействие  вибраций или ультразвука,  облучение прессовок, наложение сильного магнитного поля.

Жидкофазное спекание.  При  жидкофазном спекании в случае смачивания жидкой фазой твердой фазы увеличивается сцепление твердых частичек, а при плохой смачиваемости жидкая фаза тормозит процесс спекания, препятствуя уплотнению. Смачивающая жидкая фаза приводит к увеличению скорости диффузии компонентов и облегчает перемещение частиц твердой фазы. При жидкофазном спекании можно получить практически беспористые изделия. Различают спекание с жидкой фазой, присутствующей до конца процесса спекания,  и  спекание с жидкой фазой, исчезающей вскоре после ее появления, когда конечный период спекания происходит в твердой фазе.

Дополнительные операции

Пропитка жидкими металлами.  При  изготовлении  электроконтактных и некоторых конструкционных материалов широко применяют пропитку спрессованного и затем спеченного пористого каркаса из более  тугоплавкого материала жидкой металлической составляющей композиции. При этом жидкий металл или сплав заполняет сообщающиеся поры заготовки из тугоплавкого компонента. Существует два варианта пропитки. По первому варианту на пористый каркас помещают  пропитывающий металл в виде кусочка с объемом равным объему пор каркаса и нагревают в печи до температуры плавления пропитывающего материала  При  этом расплав впитывается порами тугоплавкого каркаса.  По второму способу пористый каркас помещают  в расплав пропитывающего металла или в зацепку из порошка пропитывающего металла.  Впитывание протекает под действием капиллярных сил. Скорость пропитки составляет десятые доли миллиметра в секунду и увеличивается с повышением температуры.  Температура  пропитки  обычно на 100...150*C превышает температуру плавления пропитывающего металла.  Однако  эта  температура  не должна  превышать  температуру  плавления металла каркаса.  Для улучшения смачиваемости к пропитывающему металлу добавляют различные присадки.

Дополнительные технологические  операции используют для достижения  чистоты поверхности и точности (механическая обработка, калибровка), для получения физических и механических свойств - химико-термическая обработка и различные пропитки.

Механическая обработка имеет особенности, вызванные пористостью  материала. Режущий инструмент испытывает микроудары, приводящие его к быстрому затуплению. Для обработки применяют твердые сплавы; для получения высокой чистоты поверхности применяют алмазный инструмент.

Пропитка изделий маслом (машинным или веретенным) при температуре 110...120*С происходит в течение 1 часа,  Масло заполняет поры изделий и в процессе работы поступает по капиллярам л поверхности трения.  Это в ряде случаев позволяет избавиться от смазки  изделий  в  процессе работы и улучшает условия трущейся пары.

Химико-термическая обработка позволяет улучшить механические свойства изделий, расширить область применения.

Нитроцементация - увеличивает износостойкость деталей: корозионная стойкость увеличивается по сравнению

со спеченными в 6- 8 раз: износостойкость в 30 раз при содержании азота до 1%

Диффузионное хромирование -  увеличивает износо- и коррозионную стойкость в несколько раз.

Гальванические покрытия имеют  особенность, вызванную наличием пор. Для предотвращения проникновения электролита в поры необходимо их заполнение. Этого достигают за счет  тщательной  шлифовки и полировки - образуется уплотненный наружный слой с малой пористостью.