Современное состояние порошковой металлургии

Горячее прессование - это процесс, который происходит в закрытых пресс - формах, при высоких температурах и давлении, возрастающем до заданной величины.

Горячее прессование - это  процесс, для осуществления которого необходимо соответствующее оборудование, обычно это гидравлический пресс. Сам процесс осуществляется либо в пресс - формах, которые производят из жаропрочных сплавов, либо из графита. Пресс - формы из графита используются при высокотемпературном прессовании, а пресс-формы из жаропрочных сплавов — при работе с температурами ниже, чем 1000°С.

Метод горячего прессования  позволяет соединить две различные  операции - формование и спекание —  в одну стадию производственного  процесса. Таким образом, прессование происходит при температуре спекания. Используя метод горячего прессования можно получить зерно меньшего размера и добиться повышения механических свойств материала, таких как плотность, прочность и ударная вязкость. Все это у материалов, полученных методом горячего прессования, имеет значительно более совершенные характеристики, чем у материалов, изготовленных по традиционной технологии прессования и спекания.(10)

2.5 Спекание

Цель спекания - получение готовых изделий с заданными плотностью, размерами и свойствами или полупродуктов с характеристиками, необходимыми для последующей обработки.

Спекание изделий из однородных металлических порошков производится при температуре ниже температуры  плавления металла. С повышением температуры и увеличением продолжительности  спекания увеличиваются усадка, плотность, и улучшаются контакты между зернами. Во избежание окисления спекание проводят в восстановительной атмосфере (водород, оксид углерода), в атмосфере  нейтральных газов (азот, аргон) или  в вакууме. Прессовка превращается в монолитное изделие, технологическая  связка выгорает (в начале спекания).

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.(12)

Жидкофазное спекание протекает в присутствии жидкой фазы легкоплавкого компонента, которая хорошо смачивает твердую фазу, улучшает сцепление между частицами, увеличивает скорость диффузии компонентов, облегчает перемещение частиц друг относительно друга. Плохая смачиваемость препятствует уплотнению.(3)

Предварительное спекание - спекание, проводимое при низкой температуре с целью удаления связующих, смазок и частичного скрепления порошка.

Окончательноe спеканиe - последняя операция спекания при многократном спекании.

2.6 Дополнительные операции

Иногда применяются дополнительные операции: пропитка смазками, механическая доработка, термическая, химическая обработка  и др.

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. Например, 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 к 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: коррозионная 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.

     Калибрование изделий необходимо для достижения нужной точности размеров, улучшается качество поверхности и повышается прочность. Калибруют  как  по одному (наружному или внутреннему диаметру),  так и по нескольким параметрам.  Нужно иметь ввиду, что минимальный припуск необходимо  брать  в  пределах  0,05-0,07 мм.  Детали,  имеющие в структуре цементит, необходимо перед калибровкой отжеч. (10)

7.  Принципиально новые материалы

Из имеющихся разнообразных  способов обработки металлов порошковая металлургия занимает особое место, так как позволяет получать не только изделия различных форм и  назначений, но и создавать принципиально  новые материалы, которые другим путем получить или очень трудно, или невозможно. У таких материалов можно получить уникальные свойства, а в ряде случаев существенно  повысить экономические показатели производства. При этом способе в  большинстве случаев коэффициент  использования материала составляет около 100%.

Благодаря структурным особенностям продукты порошковой металлургии более  термостойки, лучше переносят воздействие  циклических колебаний температуры  и напряжения, а также ядерного облучения, что очень важно для  материалов новой техники.

Порошковая металлургия  находит широчайшее применение для  различных условий работы деталей  изделий. Методами порошковой металлургии изготовляют изделия, имеющие специальные свойства: антифрикционные детали узлов трения приборов и машин (втулки, вкладыши, опорные шайбы и т.д.), конструкционные детали (шестерни, кулачки и др.), фрикционные детали (диски, колодки и др.), инструментальные материалы (резцы, пластины резцов, сверла и др.), электротехнические детали (контакты, магниты, ферриты, электро - щетки и др.) для электронной и радиотехнической промышленности, композиционные (жаропрочные и др.) материалы.    

Антифрикционные материалы - это специальные материалы, которые применялись и применяются в различных конструктивных типах узлов трения машин и двигателей, подвергающихся при работе трению и скольжению, но обладающих низким коэффициентом трения. Антифрикционные материалы отличаются низкой способностью к адгезии, теплопроводностью и стабильностью свойств, а самое главное - хорошей прирабатываемостью (т.е. способностью трущихся тел в начальный период трения постепенно улучшать контактирование поверхностей за счет их сглаживания).

Спеченные антифрикционные  материалы позволили повысить надежность и долговечность узлов трения, снизить потери на трение, заменить дорогостоящие подшипники качения, на подшипники скольжения или баббиты на железографитовые псевдосплавы. Разработка материалов твердыми смазками сделала возможным их применение в устройствах, где использование жидких смазок вообще не допустимо, например, в пищевой промышленности, при высоких температурах.

В процессе применения подобных материалов в конкретных узлах и  условиях приводило к созданию разнообразных  антифрикционных материалов. Выделяются такие антифрикционные материалы  как сплавы на основе олова или  свинца - баббиты, меди - бронза, железа - серый чугун, металлокерамические  сплавы - бронзографит, железографит, а также пластмассы текстолит, фторопласт-4, древесно-сложные пластики и сложные композиции типа «металл-пластмасса».

Преимуществом антифрикционных  самосмазывающихся подшипников  из металлических порошков, над изготовленными из литых материалов является превышающий в 1,5-10 раз срок службы. Более того, во многих случаях порошковые материалы на более дешевой железной основе могут заменять более дорогие литые материалы на основе меди. Введение различных наполнителей (твердых смазок, фторопластов и др.), которые принципиально не могут быть использованы в составе литых материалов, позволяет применять порошковые антифрикционные материалы при работе без смазки, в вакууме, в агрессивных средах, при повышенных температурах и в других тяжелых условиях.

Пористые порошковые материалы  широко используются в узлах трения, фильтрах, тепловых трубах, уплотнениях. (6)

Фрикционные порошковые материалы  являются,  по существу, композиционными и состоят из металлических и неметаллических компонентов. Они имеют наиболее высокие фрикционные свойства и широко применяются.

Электротехнические материалы - контакты, магнитомягкие и магнитотвердые материалы, инструменты для электроэрозионной обработки, точечной и роликовой сварки – находят все более широкое применение в электротехнике, энерго - и аппаратостроении, автоматике и телемеханике, радиоэлектронике и других отраслях.

Что касается конструкционных  материалов, то они позволяют изготавливать  различные конструкции, детали машин, элементы сооружений, воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими  параметрами таких материалов являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др.)

Порошковые конструкционные  материалы  являются наиболее распространенной продукцией ПМ. Потребность в них составляет около 60% суммарной потребности в продукции порошковой металлургии.

Жаропрочные, жаростойкие  и композиционные материалы определяют развитие отраслей современной техники, где без обеспечения специальных свойств невозможна эксплуатация машин и агрегатов: авиационной, ракетной техники, космонавтики, химического машиностроения. Для их нужд были созданы тугоплавкие металлы и сплавы, тугоплавкие соединения, получаемые в большинстве случаев только методами порошковой металлургии.

Тугоплавкие и твердые  бескислородные соединения  и материалы на их основе - карбиды, бориды, нитриды, силициды и другие - находят применение благодаря своим уникальным свойствам во многих отраслях  промышленности, например инструментальной.

Твердые сплавы -  важнейшие  широко распространенные порошковые материалы, при получении которых в полной мере реализуются возможности порошковой металлургии: получение композиционных материалов из компонентов с резко различной температурой плавления, достижение уникального комплекса физико - механических свойств, безотходная технология. Применяются твердые сплавы в инструментальной промышленности, буровой технике, при обработке давлением.

Материалы для современной  атомной энергетике должны выдерживать экстримальные механические и термические нагрузки с одновременным воздействием физических факторов, они используются в качестве поглощающих и замедляющих элементов, а так же топлива. Определенную их часть составляют порошковые материалы.

Эрозионностойкие  материалы должны сочетать разнообразные и необычные свойства изделий и обеспечивать их работоспособность в очень тяжелых  условиях эксплуатации. (5)

2.8 Значение порошковой металлургии

Порошковая металлургия  экономична в отношении материалов и, как и традиционные методы металлообработки, позволяет получать детали с нужными  механическими, электрическими и магнитными свойствами. Продукция порошковой металлургии  используется в различных отраслях промышленности.

Порошковая металлургия имеет и недостатки, тормозящие ее развитие. Это, например, сравнительно высокая стоимость металлических порошков; необходимость спекания в защитной атмосфере, что также увеличивает себестоимость изделий порошковой металлургии; трудность изготовления в некоторых случаях изделий и заготовок больших размеров; сложность получения металлов и сплавов в компактном состоянии; необходимость применения чистых исходных порошков для получения чистых металлов.

Хотя недостатки порошковой металлургии и некоторые ее достоинства  нельзя рассматривать как постоянно  действующие факторы: в значительной степени они зависят от состояния  и развития, как самой порошковой металлургии, так и других отраслей промышленности. По мере развития техники порошковая металлургия может вытесняться из одних областей и, наоборот, завоевывать другие.

С увеличением масштабов  выпуска и совершенствованием методов  изготовления порошков решатся такие  проблемы порошковой металлургии, как  дороговизна исходных материалов. При  массовом производстве расходы, связанные  с необходимостью изготовления индивидуальных приспособлений (пресс - форм) для каждого вида деталей, сократятся до минимума. С исследованием и использованием на производстве получения чистых порошков распылением расплавленного железа решены такие проблемы, как необходимость получения достаточно чистых исходных материалов.

Применение порошковой металлургии, ее развитие имеет важное значение для всего мира. Передовые страны, такие, как США и Япония, ежегодно инвестируют и расширяют эту отрасль промышленности. Мировой рынок порошковых изделий непрерывно растет. Среднегодовые темпы прироста ее продукции в ближайшем десятилетии будут на уровне 8-12%.

Не последнее место  занимает порошковая металлургия и  в России, где она представлена такими предприятиями, как Кировградский  завод твердых сплавов, КИММПОР («Краснопахорский завод композиционных изделий из металлических порошков»), ЗАО НПП «Высокодисперсные металлические порошки», САУЛ-Порошковая металлургия, ОАО «Уралэлектромедь» и др. Производство железных и легированных порошков в России освоено на ОАО «Сулинский металлургический завод», ОАО «Северсталь», ОАО «Полема» (г. Тула), ЗАО «Инвест-технологии» (г. Москва).