Современное состояние порошковой металлургии

 

Содержание

 

Введение 3

1. История порошковой металлургии 3

2. Современное состояние порошковой металлургии 6

2.1 Методы  получения металлических порошков 6

2.2 Методы изготовления порошковых  изделий 7

2.3 Приготовление  смеси 8

2.4 Формование порошка (прессование) 8

2.5 Спекание 9

2.6 Дополнительные  операции 10

2.7Принципиально  новые материалы 11

2.8 Значение  порошковой металлургии 13

Заключение 16

Список используемой литературы 18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         Введение

Порошковая металлургия - область науки и техники, охватывающая совокупность методов изготовления порошков металлов, сплавов и металлоподобных соединений, полуфабрикатов и изделий из них или их смесей с неметаллическими порошками без расплавления основного компонента.

Сущность порошковой металлургии заключается в производстве порошков и изготовлении из них изделий, покрытий или материалов многофункционального назначения по безотходной технологии. Порошки получают из металлического и неметаллического сырья, а также вторичного сырья машиностроительного и металлургического производства. Технологический процесс производства и обработки изделий и материалов методами порошковой металлургии включает получение порошков, их формование в заготовки, спекание (температурную обработку) и при необходимости окончательную обработку (доводку, калибровку, уплотняющее обжатие, термообработку).

Способы производства порошков подразделяют на механические (без изменения химического состава исходных материалов), физико-химические и комбинированные.

1. История порошковой металлургии

Материальные памятники, характеризующие этапы развития человеческого общества, свидетельствуют  о том, что порошки золота, меди и бронзы применялись людьми 8–10 тыс. лет назад. Еще в бронзовом веке люди умели получать и использовать некоторые виды порошков, а также применять горячую ковку порошковой массы. Этот опыт был использован около 5 тыс. лет назад для изготовления железных орудий труда и вооружения и ознаменовал начало века железа.

Колыбелью древней металлургии, как цветных металлов, так и железа считают Ближний Восток. Видимо, отсюда, через Кавказ, технология железа и железных изделий проникла в Европу (II–I тыс. до н. э.) и на восток Азии, вплоть до Индии.

Изделия из железа, которое  значительно более тугоплавко (температура  плавления 1539 ˚С), чем медь (температура  плавления 1083 ˚С), не могли быть получены литьем, так как вплоть до XIX в. не были известны способы создания необходимых  для плавления железа высоких  температур. В распоряжении мастеров в основном были температуры 1000–1100 ˚С, получаемые за счет горения древесины. 

Позже стали использовать кричный метод и ковку заготовки  в нагретом состоянии. Сначала в  шахтных печах (домницах) при температуре порядка 1100 ˚С восстановлением богатой или обогащенной окисленной руды железа древесным углем получали крицу (губчатую массу железа), а затем проковывали ее в нагретом состоянии.

Для уменьшения пористости откованное железо повторно нагревали  в печи, а иногда и снова проковывали. Такое железо называли сварочным. В  целом объем его производства достигал сотен тысяч пудов, обеспечивая  потребности развивающегося земледелия в мотыгах, серпах, косах, топорах  и пр.

Исследования археологов показывают, что в 950–1000 гг. в Киевской Руси из железной крицы изготовляли различные предметы быта, оружие и др.

Научные основы порошковой металлургии разработал в 1752–1763 гг. М.В. Ломоносов. Он описал, к примеру, процессы получения порошкового свинца, способы перевода различных материалов в порошкообразное состояние, дал понятие спекания как операции перевода «порошкообразного тела, которому по желанию придана известная форма, в каменистое вещество».

Основоположником широко распространенного в настоящее  время направления в металлургии  – порошковой металлургии – стал П.Г. Соболевский.

В начале XIX в. на территории России были открыты богатейшие в мире запасы чистой платиновой россыпи. Известными на тот момент методами невозможно было обработать этот металл из-за свойственной ему высокой температуры плавления (1773˚С). Соответственно возник вопрос о поиске нового способа переработки данного материала. С этой целью была построена Соединенная лаборатория Горного кадетского корпуса, явившаяся первым в России химико-металлургическим центром, где в течении 1826 г. П.Г. Соболевский при участии помогавшего ему химика В.В. Любарского (1795–1852) создали новый способ получения платиновых изделий, названный затем порошковой металлургией. Он состоял в прокаливании хлорплатината аммония и последующем горячем прессовании полученного платинового порошка в цилиндрические заготовки.

Используя способ, разработанный  П.Г. Соболевским, с 1828 г. налажена массовая чеканка платиновых монет достоинством 3, 6 и 12 руб. на серебро, продолжавшаяся до 1845 г., которая и стала первым промышленным применением порошковой металлургии.

Однако после смерти П.Г. Соболевского чеканка платиновых монет  вскоре была прекращена, добыча платины  заметно сократилась, появились  печи с кислородно - водородным пламенем (что позволило развивать температуры более 1800 ˚С).

До начала ХХ в. сохранялось  лишь эпизодическое применение металлических  порошков для различных целей (железных порошков – в химических производствах, свинцовых порошков в аккумуляторах, и пр.).

Возрождение интереса к порошковой металлургии было, прежде всего, связано с необходимостью удовлетворения потребностей быстро развивавшейся электротехники. Электроламповой промышленности были нужны тугоплавкие материалы для нитей ламп накаливания, электромашиностроению были необходимы медно-графитовые щетки и т.п.

В 1900 г. наш соотечественник  А.Н. Ладыгин на Всемирной Парижской выставке продемонстрировал электрическую лампочку с телом накала из вольфрамовой проволоки, полученной методом порошковой металлургии.

 Решение этих и других  трудных технических задач послужило  мощным толчком к налаживанию  производства порошковых самосмазывающихся  подшипников, твердых сплавов, магнитных, антифрикционных и конструкционных материалов, а также многих других видов продукции.

В 1924 г. Т.М. Алексеенко-Сербиным была организована первая лаборатория тугоплавких металлов на Московском электроламповом заводе, а затем создана мощная сеть научных учреждений.

Большое участие в решении  проблем порошковой металлургии принимают кафедры многих высших учебных заведений - Московского института стали и сплавов, Киевского, Новочеркасского, Нижегородского, Пермского, Ереванского политехнических институтов, Харьковского университета и т.д.

Существенные успехи достигнуты в разработке теоретических основ  и технологии процессов прессования  и формования изделий из порошков.

Первые систематические  исследования, выполненные в 1936 - 1937 гг., положили начало развитию работ в этой области. Исследованы закономерности прессования в пресс-формах, процесс вибрационного уплотнения, гидростатического и изостатического, горячего, динамического и взрывного прессования, горячей штамповки, формования порошков прокаткой и т.д.

1926 - 1946 гг. - начало работ  в области теоретических основ процессов спекания. Исследования в этой области позволили оптимизировать ряд технологических режимов и создать новые процессы - например, активированное спекание вольфрама, спекание металлоалмазных композиций инструментального назначения, изготовление антифрикционных и конструкционных изделий с применением пропитки расплавленными металлами и пр.

Первыми видами изделий из порошков, производство которых было организовано в 1918 г., были медно - графитовые щетки. В дальнейшем создано большое количество электроконтактных материалов на основе серебра с добавками никеля, окиси кадмия, графита; на основе вольфрама с пропиткой медью и ряд других.

К началу 1950-х гг. мировое  ежегодное производство металлических  порошков, материалов и изделий из них составляло примерно несколько  десятков тысяч тонн. (7)

В последующие тридцать лет  темпы роста продукции порошковой металлургии в разных странах  в среднем составляли 6–10 %, достигая в отдельные периоды 15–20 % (США, ФРГ, Япония и др.).

В середине 1980-х гг. было реализовано  металлических порошков и изделий  из них в мире на пять миллиардов долларов, в том числе в США  более чем на один миллиард долларов.       

2. Современное состояние порошковой металлургии

В настоящее время порошковая металлургия является одним из приоритетных направлений развития металлургического  производства, в основе которой лежат перспективные технологические разработки.

2.1 Методы получения металлических порошков

Металлическим порошком называется совокупность частиц металла, сплава или металлоподобного соединения размерами до миллиметра, находящихся в контакте и не связанных между собой.

Металлические порошки получают механическим или физико-химическим методами.

Механический метод предполагает измельчение металлов или сплавов  посредством специальных шаровых  или молотковых мельниц. Так получают порошки железа, бронзы, чугуна и  других хрупких металлов.

Физико-химический метод  подразделяется на несколько разновидностей. К ним относятся восстановление металлов из окислов или других металлических соединений водородом, углеродом, иногда щелочными или щелочно-земельными металлами (для получения порошков железа, меди, вольфрама, молибдена, титана, тантала, ниобия), электролиз водных растворов солей металла (для получения порошков меди, железа, свинца, олова), электролиз расплавленных сред (для получения порошков редких тугоплавких металлов - тантала, ниобия, циркония, ванадия), распыление расплавов сжатым воздухом, газом, подачей струи жидкого металла на вращающийся диск или посредством литья в воду (для получения порошков легкоплавких металлов). Метод распыления расплавов  появился в 60-х годах. Его достоинства - возможность эффективной очистки расплава от многих примесей, высокая производительность и экономичность процесса.

К основным характеристикам  металлических порошков относятся  размер и форма частиц, объемная масса (вес), относительная плотность, пористость, текучесть, прессуемость и величина допустимого содержания примесей. Размер частиц для большинства промышленных порошков может быть не более десятых долей миллиметра, а их форма — самой разнообразной, что определяется методом и режимом их производства. (4)

Основные области применения железного порошка - производство порошковых изделий в таких областях, как  автомобильная промышленность и  транспортное машиностроение, производство бытовых приборов и электронной  аппаратуры, производство инструмента  и технологической оснастки, производство конторского оборудования, труб и  арматуры, строительное, горношахтное и сельскохозяйственное машиностроение и пр.

В настоящее время изготавливаются  в промышленном масштабе порошки  таких металлов, как железо и его  сплавы, никель, медь, кобальт, алюминий, титан, олово, цинк, свинец, магний, вольфрам, молибден, тантал, ниобий и другие. 

              2.2 Методы изготовления порошковых изделий

 

В обычной металлургии  металлические изделия получают, обрабатывая металлы такими методами, как литье, ковка, штампование и  прессование. В порошковой металлургии  изделия производят из порошков с  размерами частиц от 0,1 мкм до 0,5 мм. Типовой технологический процесс  изготовления деталей методом порошковой металлургии состоит из следующих  основных операций: смешивание, формование, спекание и калибрование.

2.3 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.(5)

Пластификатор порошка - вещество, добавляемое к металлическому порошку с целью улучшения его прессуемости, увеличения прочности прессовки и предотвращения сегрегации перед прессованием. (9)

2.4 Формование порошка (прессование)

Формование изделий осуществляем путем холодного прессования  под большим давлением (30-1000 МПа) в металлических формах. Обычно используются жёсткие закрытые пресс - формы. Обычно пресс - инструмент ориентирован 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.