Вопрос 5. Основы порошковой металлургии

Порошковые материалы (порошковые сплавы) представляют собой материалы, получаемые из металлических порошков (на основе железа, из цветных металлов, в некоторых случаях с добавкой графита или других примесей), подвергаемых прессованию при высоком давлении с целью придания определённой конфигурации заготовке и последующему спеканию. Такой способ получения порошковых сплавов называется порошковой металлургией.

Порошковые сплавы называют также металлокерамическими в связи со сходством их изготовления с изготовлением керамических изделий.

Порошковые славы широко применяются в различных отраслях машиностроения благодаря высокой экономичности технологии их изготовления (по сравнению с различными методами литья и штамповки). Особенно эффективны порошковые сплавы на основе железа как заменители цветных металлов.

Технологический процесс производства порошковых материалов (сплавов) включает следующие составляющие: 1) получение металлических порошков; 2) подготовка шихты; 3) прессование; 4) спекание полученной заготовки. Иногда изделия из порошковых сплавов подвергают дополнительной обработке — калиброванию, горячей допрессовке, термической и химико-термической обработке, нанесению декоративных и защитных покрытий.

Получение металлических порошков. Известны следующие способы получения металлических порошков: 1) механическим измельчением железной и стальной стружки в шаровых, молотковых и вихревых мельницах; 2) восстановлением из окислов тугоплавки металлов (вольфрам (W), молибден (Mo), железо (Fe) и др.); 3) распылением жидкого металла сжатым воздухом или паром (алюминия (Al), меди (Cu), олова (Sn) и др.); 4) электролитическим осаждением — меди (Cu), олова (Sn), железа (Fe) и др.

Подготовка шихты. Порошок подвергают очистке от загрязнений, сушке, дополнительному измельчению, отжигу для снятия наклёпа и получения однородной структуры (в защитной или восстановительной атмосфере), распределению по степени дисперсности (с помощью набора стандартных сит), смешиванию (в специальных смесителях).

Прессование. Прессование производят в специальных штампах — пресс-формах. При прессовании происходит механическое сцепление частиц металлического порошка и образование заготовки определённой конфигурации.

Спекание заготовок. Спекание представляет собой специальный отжиг спрессованных заготовок. Его производят с целью повышения механических свойств спрессованных заготовок.

В процессе спекания происходит восстановление окислов металлических частиц и образование прочного металлического контакта, снятие внутренних напряжений и искажений кристаллической решётки частиц металла, рекристаллизация, диффузия. В результате спекания малопрочные механические связи между частицами металлического порошка заменяются более прочными межатомными связями.

Спекание осуществляют в печах с защитной атмосферой. Продолжительность спекания обычно составляет 1 – 3 ч.

Температура спекания заготовок, спрессованных из порошка одного металла, составляет примерно 75% от температуры плавления данного металла. Например, для железа (Fe) эта температура составляет 1100 – 1200ºC, для меди (Cu) — 800 – 900ºС, для молибдена (Mo) — 2100 – 2300ºC.

Спекание заготовок из металлических порошков, в состав которых входят частицы металлов с большой разницей в температурах плавления, производят при температуре, превышающей температуру плавления наиболее легкоплавкого компонента. При спекании образуется жидкая фаза, связывающая частицы более тугоплавкого компонента. Так, например, температура спекания порошков железа (Fe) и меди (Cu) составляет 1100 – 1200ºC, меди (Cu) и олова (Sn) — 700 – 800ºC.

Прессование и спекание можно совместить в одну технологическую операцию, называемую горячим прессованием. В этом случае применяют более низкое давление, составляющее 5 – 10% давления обычного прессования и более низкие температуры (на 10 – 30% ниже температуры спекания холоднопрессованных заготовок).

Наиболее распространёнными видами брака при спекании является пережог, плохо пропечённая сердцевина, неравномерная плотность, усадочные макропоры, коробление, трещины, расслоение, несоответствие заданным свойствам и размерам.