Основные процессы происходящие при спекании

Методы получения порошков

Разнообразие требований, предъявляемых к порошкам в зависимости от области их применения, а также свойства самих металлов объясняют существование большого числа различных методов производства металлических порошков. Общепринятым является условное деление этих методов на физико-химические и механические.

К физико-химическим методам относят технологические процессы производства порошков, связанные с глубокими физико-химическими превращениями исходного сырья. В результате получаемый порошок по химическому составу и структуре существенно отличается от исходного материала. Основными являются методы восстановления металлов, электролиз и термическая диссоциация карбонилов.

Механические методы обеспечивают превращение исходного материала в порошок без существенного изменения его химического состава. Чаще всего используют размол твердых материалов в мельницах различных конструкций и диспергирование расплавов.

Физико-химические способы получения порошков в целом более универсальны, чем механические. Возможность использования дешевого сырья (отходы производства в виде окалины, оксидов и т. д.) делает многие физико-химические способы экономичными. Порошки ряда тугоплавких металлов, а также порошки сплавов и соединений на их основе могут быть получены только физико-химическими способами.

Выбирая метод получения металлического порошка, учитывают, прежде всего, необходимость обеспечения требований, предъявляемых к конечной продукции из него, а также экономическую оценку соответствующих технологических процессов – себестоимость порошка, стоимость дальнейшей переработки порошка в изделия.

Механические методы получения порошков могут применяться как самостоятельные, а также входить в схему производства порошка физикохимическими методами (рис. 1).

Диспергирование расплавов – это способ получения металлического порошка распылением расплавленного металла или сплава струей сжатого газа, жидкости или механическим путем.

Распылением получаются порошки железа, сталей, чистых металлов, в том числе легких и тугоплавких, а также сплавов на их основе. Распыление эффективно для получения порошков многокомпонентных сплавов и обеспечивает объемную равномерность химического состава; оптимальное строение и тонкую структуру каждой частицы. Методы диспергирования позволяют увеличить выпуск порошков с контролируемыми свойствами.

Одним из распространенных способов распыления для многотоннажного получения порошков быстрорежущих сталей является диспергирование газом (аргоном, гелием или азотом). Схема с вертикальным расположением форсунки, где на струю расплавленного металла под углами 60º направлены потоки подогретого газа с дозвуковой и сверхзвуковой скоростью, представлена на рис. 2.

Полученные порошки подвергаются восстановительному отжигу. Механические способы получения порошков, основанные на измельчении твердых тел, часто совмещают с приготовлением смесей порошков.

Из методов измельчения наибольшее распространение получили:

• обработка металлов резанием с образованием мелкой стружки или опилок;
• измельчение металлов в паровых, вихревых, центробежных, молотковых и других мельницах.

Одним из наиболее распространенных видов размольного оборудования являются барабанные мельницы.

В простейшем конструктивном варианте такая мельница представляет собой вращающийся вокруг горизонтальной оси барабан 5, внутри которого находятся измельчаемый материал и мелющие тела (рис. 3, а). Мелющие тела чаще всего имеют форму шара и изготовлены из стали.

Рис. 1. Разновидность технологической схемы получения железного порошка методом восстановления окалины

Процессы, происходящие в рабочем объеме барабанных мельниц, сводятся к следующему: мелющие тела поднимаются на некоторую высоту в направлении вращения барабана до тех пор, пока угол подъема не превысит угол естественного откоса, после чего шары скатываются или падают вниз и измельчают материал, истирая и раздалбливая его.

Рис. 2. Распыление жидкого сплава инертным газом

Рис. 3. Барабанная шаровая мельница: а – схема устройства: 1, 2 – подшипники; 3 – крышка; 4 – зубчатое колесо; 5 – люк; б – схема перемещения размольных тел и измельчаемого материала

Измельчение может быть мокрым и сухим. Считается, что мокрое измельчение более эффективно и улучшает экологические характеристики оборудования.

Свойства порошков

В практике металлические порошки характеризуются по следующим свойствам:

• физическим;
• химическим;
• технологическим.

Физические свойства порошков

К физическим свойствам порошков обычно относят преобладающую форму частиц и гранулометрический состав порошка. Форма частиц в основном зависит от способа получения и может быть сферической, губчатой, осколочной, дендритной, тарельчатой, чешуйчатой. Форма частиц оказывает влияние на плотность, прочность и однородность прессовки. Наибольшую прочность прессовок дают частицы дендритной формы. В этом случае упрочнение порошков при прессовании вызывается действием сил сцепления, заклиниванием частиц, переплетением выступов и ответвлением.

Размер частиц порошков, получаемых различными методами колеблется от долей микрометра до долей миллиметра. Для получения прочной прессовки необходим порошок с определенными размерами частиц и набором их по крупности. В практике никогда не встречаются металлические порошки с частицами одной крупности.

Гранулометрический состав порошка представляет собой относительное содержание фракций частиц различной крупности. В сочетании с другими свойствами он влияет на удельное давление при прессовании, необходимое для достижения заданных механических свойств спечённых изделий.

Химические свойства порошков

К химическим свойствам порошков относят в первую очередь содержание основного металла, примесей и загрязнений. На химические свойства влияет также содержание газов в связанном, адсорбированном или растворенном состоянии. Содержание основного металла в порошках бывает не ниже 98 – 99%, и такая чистота порошковых металлов для большинства спеченных изделий является удовлетворительной.

Вредными примесями для железного порошка являются примеси кремнезёма, оксидов алюминия и марганца. Эти примеси затрудняют прессование порошков, увеличивают износ прессформ.

Присутствие в порошках значительного количества газов (кислород, водород, азот и др.), адсорбированных на поверхности частиц, а также попавших внутрь частиц в процессе изготовления и в результате разложения при нагреве загрязнений увеличивает хрупкость порошков, затрудняет прессование, а интенсивное выделение их при спекании может привести к короблению изделий. Поэтому порошки иногда подвергают вакуумной обработке для отгонки газов.

Под технологическими свойствами порошков понимают:

• насыпная масса порошка;
• текучесть;
• прессуемость.

Насыпная масса порошка

Насыпная масса порошка – это масса единицы его объёма при свободной насыпке. Она определяется плотностью материала порошка, размером и формой его частиц, плотностью укладки частиц и состоянием их поверхности. Например, сферические порошки с гладкой поверхностью обеспечивают более высокую насыпную плотность.

Текучесть порошка

Текучесть порошка – это способность перемещаться под действием силы тяжести. Она оценивается временем истечения определённой навески (50 г) через калиброванное отверстие (диаметр 2,5 мм). Текучесть зависит от плотности материала, гранулометрического состава, формы и состояния поверхности частиц и влияет на производительность автоматических прессов при прессовании, так как она определяет время заполнения порошком пресс-формы. Текучесть ухудшается при увлажнении порошка, увеличении его удельной поверхности и доли мелкой фракции.

Прессуемость порошка

Прессуемость порошка – это способность порошка под влиянием внешнего усилия приобретать и удерживать определённую форму и размеры.

Порошки одного и того же химического состава, но с разными физическими характеристиками могут обладать различными технологическими свойствами, что влияет на условия дальнейшего превращения порошков в готовые изделия.Поэтому физические, химические и технологические свойства порошков находятся в непосредственной зависимости от метода получения порошка.

Но не только качественные характеристики порошка лежат в основе выбора способа получения порошков. Очень важными при оценке метода производства порошков являются вопросы экономики – себестоимость порошка, размер капиталовложений, стоимость переработки порошка в изделия.

Все это вызвало необходимость разработки и промышленного освоения большого числа различных способов производства порошков.

Усадка

Усадка – это изменение размеров нагреваемого порошкового тела при спекании. Величина усадки представляет собой выраженное в процентах или долях единицы отношение разности между начальным и конечным параметрами к начальному параметру. Она может быть объёмной или линейной и определяется формулами:

Y = (V₁ — V)⁄ V·100%

или

H = (H₁ — H)⁄ H·100% ,где

• V – объём прессовки до спекания;
• V₁ – объём прессовки после спекания;
• H – высота прессовки до спекания;
• H₁ – высота прессовки после спекания.

Обычно при спекании уменьшается пористость и возрастает плотность изделий. В начальный период спекания (100 – 150 °С) происходит удаление паров и газов адсорбированных на частицах металла, испарение или выгорания смазок и снятие упругих напряжений. С повышением температуры (0,4 – 0,5T_пл.) заканчивается снятие упругих напряжений, продолжается дегазация и выгорание смазок и связующих веществ, происходит восстановление оксидных плёнок, в результате чего неметаллические контакты заменяются металлическими и увеличивается их площадь. При температуре 0,7 – 0,9T_пл. заканчивается восстановление оксидов, контакты между частицами становятся полностью металлическими, происходит сглаживание поверхности частиц, сфероидизация пор и окончательное упрочнение.

Процесс усадки при спекании характеризуется стремлением системы к уменьшению запаса поверхностной энергии, что возможно только за счет сокращения суммарной поверхности порошковых частиц. Поэтому порошки с сильно развитой поверхностью уплотняются при спекании с наибольшей скоростью, как обладающие большим запасом поверхностной энергии. При нагреве прессовки до некоторой температуры и выдержке усадка в начальный момент происходит быстро, а затем замедляется и почти прекращается. При новом подъёме температуры скорость уплотнения снова возрастает и опять замедляется через некоторое время. Это происходит при каждом новом подъёме температуры и связано с тем, что запас поверхностной энергии зависит от величины и состояния поверхности частиц или от количества дефектов на единицу площади. В начальный момент нагрева дефектов много и каждая частица стремиться избавиться от них и усадка идет быстро. Затем число дефектов приближается к равновесному для данных условий и усадка замедляется.

При спекании прессовок иногда бывают случаи нарушения процесса спекания, выражающиеся в недостаточной степени усадки или даже увеличении объёма. Это может происходить за счет снятия упругих напряжений, возникших при прессовании, наличия невосстанавливающихся оксидов, фазовых превращений и выделений газов, образующихся при химических реакциях, протекающих при спекании.Спекание многокомпонентных систем характеризуется рядом особенностей, заключающихся в том, что спекание разнородных материалов является более сложным процессом, в котором наряду с самодиффузией, обуславливающий перенос массы в область контакта частиц, должна происходить гетеродиффузия, обеспечивающая выравнивание концентраций разноименных атомов в пределах образца. В значительной степени на ход процесса спекания таких систем оказывает характер диаграммы состояния компонентов. При неограниченной взаимной растворимости компонентов наибольшее значение имеет объёмная гетеродиффузия. Усадка в этом случае меньше возможной суммарной усадки каждого из компонентов системы и зависит от их концентрации в материале. Это объясняется более низкой подвижностью атомов в твердых растворах по сравнению с чистыми металлами и невозможностью получения при смешивании абсолютно однородной смеси. Поэтому при спекании образуется большое количество контактов, скорость диффузии через которые неодинакова.

Спекание систем с ограниченной растворимостью или при полной нерастворимости компонентов осложняется изолированием однородных частиц от взаимного контакта, что существенно препятствует протеканию самодиффузии, и ухудшает условия спекания.

Потенциал 3D-печати металлами

Итак, мы выяснили, что современные технологии позволяют получить порошок для 3D-печати металлом с определенными свойствами для решения конкретных производственных задач. А так как распылению можно подвергнуть практически любые металлы, то и номенклатура металлических материалов для 3D-принтеров чрезвычайно обширна.

Достижения металлургии в полной мере реализуются в аддитивном производстве, позволяя использовать уникальные сплавы для изготовления геометрически сложных изделий повышенной точности, плотности и повторяемости. В то же время, внедрение металлических аддитивных установок имеет и сдерживающие факторы, главный из которых – высокая стоимость порошков.

3D-печать металлами обладает серьезным потенциалом для повышения эффективности производства во многих отраслях промышленности и используется все большим числом компаний и исследовательских организаций. Пример для всемирной индустрии показывают такие промышленные лидеры, как General Electric, Airbus, Boeing, Michelin, которые уже перешли от изготовления единичных металлических изделий к серийному аддитивному производству.

Статья опубликована 23.01.2018 , обновлена 05.02.2021

Презентация на тему: » Порошковая металлургия Выполнил: Кокатев Александр 554 гр.» — Транскрипт:

1

Порошковая металлургия Выполнил: Кокатев Александр 554 гр.

2

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

3

Преимущества использования порошковой металлургии снижает затраты использует энерго- и ресурсосберегающие технологии позволяет получать изделия с уникальными свойствами получает более высокие экономические, технические и эксплуатационные характеристики изделий упрощает изготовление изделий сложной формы обеспечивает прецизионное производство (Соответствие размеров в серии изделий)

4

Порошковая металлургия как новое направление науки, стала активно развиваться, после первых работ П.Г. Соболевского по разработке процесса изготовления монет из порошка платины, выполненных в России в 1826 – 1827 гг.

5

Типовая технология производства заготовки изделий методом порошковой металлургии включает четыре основные операции: получение порошка исходного материала; формование заготовок; спекание окончательная обработка. Каждая из указанных операций оказывает значительное влияние на формирование свойств готового изделия.

6

получение порошка исходного материала Условно различают два способа изготовления металлических порошков –физико-механический способ изготовления порошков — превращение исходного материала в порошок происходит путём механического измельчения в твердом или жидком состоянии без изменения химического состава исходного материала –химико-металлургический способ — происходит изменение химического состава или агрегатного состояния исходного материала

7

Шаровая мельница Схемы движения шаров в мельнице: а – режим скольжения, б – режим перекатывания, в – режим свободного скольжения, г – режим критической скорости Общий вид шаровой мельницы

8

Вибрационная мельница Схема вибрационной мельницы:1-корпус- барабан,2-вибратор вращения,3- спиральные пружины,4- электродвигатель,5- упругая соединительная муфта. Общий вид вибрационной мельницы: 1 — рабочая камера, 2 — патрубок загрузки, 3 — клапан разгрузки, 4 — упругие элементы, 5 — опорная рама, 6 — электродвигатель

9

Другие виды мельниц Схема планетарной мельницы Общий вид планетарной центробежной мельницы

10

Порошки исходных материалов Порошок кремния Порошок железа

11

Процесс прессования Схема распределения плотности по вертикальному сечению спрессованного порошка при одностороннем приложении давления (сверху). Рис.6 Схема прессования в прессформе (1 — матрица, 2 – уансон, 3 – нижний пуансон, 4 — порошок Рис.7 Кривая идеального порцесса уплотнения

12

Рис.9 Схема прессования в пресс-форме сложного изделия: 1- пуансон,2-пуансон, 3-матрица, Рис.10 Схема мундштучного прессования. Схема гидростатического прессования Выдавливание

13

Процесс спекания Спеканием называют процесс развития межчастичного сцепления и формирования свойств изделия, полученных при нагреве сформованного порошка. Спекание проводят для повышения прочности предварительно полученных заготовок прессованием или прокаткой.

14

Изделия порошковой металлургии Пористые подшипники Металлокерамически е подшипники Аэрогель Аэрогель плохо проводит тепло Окно из аэрогеля

15

Недостатки порошковой металлургии Порошковая металлургия имеет и недостатки, тормозящие ее развитие: 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.

16

Список литературы В.Н. Анциферов «От египетских пирамид до космоса», — соросовский образовательный журнал, 5,

Антифрикционными спеченными материалами на основе меди

Наиболее распространенными антифрикционными спеченными материалами на основе меди являются:

• оловянистые бронзы;
• бронзографиты.

Спеченные оловянистые бронзы

Спеченные оловянистые бронзы являются первыми порошковыми антифрикционными материалами на основе меди, которые начали применяться в производстве. Они используются для изготовления подшипников, работающих в легких условиях, характеризующихся малыми скоростями скольжения (менее 1,5 м/с) и большими нагрузками (0,5–1,0 МПа). Оптимальными антифрикционными и механическими свойствами, обеспечивающимися при содержании 9 –10% олова, являются:

• пористость – 15 – 35%;
• временное сопротивление на разрыв – 76 – 140 МПа;
• относительное удлинение – 5%;
• показатель V·P– 1,5 – 2,5 МПа⋅м/с.

Для работы в условиях повышенных давлений и высоких скоростей скольжения используют спеченные высокопористые бронзы, пропитанные фторопластом. А для повышения несущей способности и снижения скорости изнашивания применяют подшипники пропитанные фторопластом с наполнителем – свинцом. Так, подшипники, изготовленные из стальной ленты, на которую нанесен слой пористой бронзы, пропитанной смесью фторопласта и свинца, имеют основные характеристики:

• предел прочности – 310 МПа;
• коэффициент трения при скоростях 0,2 м/с – 0,05 – 0,1;
• коэффициент трения при скоростях 0,2 – 5 м/с – 0,1 – 0,16;
• предельная нагрузка – 30 МПа.

В качестве легирующих добавок спеченных бронз применяют титан, никель, железо и другие элементы. Для работы при повышенных температурах используют легированный композиционный материал, содержащий дисульфид молибдена. Основные свойства материалов с различным содержанием дисульфида молибдена приведены в таблице 5.

Таблица 5 – Свойства спеченных бронз с различным содержанием дисульфида молибдена.

Содержание MoS2 вбронзе, %	Предел прочности на разрыв, МПа	Плотность, г/см3	Ударная вязкость, кДж/м2
10	600–650	7,3	24
20	500–550	6,4	8
30	300–400	5,7	5
40	250–300	5,3	3

Спеченные материалы содержащие дисульфид молибдена (MoS₂), отличаются большой износостойкостью и высокими триботехническими свойствами в широком диапазоне температур (от 40 до 200 °С).

Бронзографиты

Бронзографиты получили широкое распространение в качестве самосмазывающихся подшипников скольжения из композиций бронза-графит, в которых содержание графита обычно составляет 2 – 4%. Бронзографиты используются для изготовления деталей электродвигателей, швейных и стиральных машин, а также в автотракторном электрооборудовании. Основные механические и триботехнические свойства спеченных оловянистых бронз и бронзографитов приведены в таблице 6.

Таблица 6 – Механические и триботехнические свойства спеченных оловянистых бронз и бронзографитов

Маркаматериала	Пористость (ср.) %	Предел прочности на разрыв, МПа	Твердость (ср.) НВ, МПа	Коэффициент трения с жидкостной смазкой	Максимальные допустимые
нагрузка, МПа	скорость, м/с
Бр 010	18	60	450	0,05	4	10
БрОГр10-2	18	50	350	0,05	4	10
БрОГр9-3	18	40	400	0,05	4	10
БрОГр8-4	18	35	350	0,05	4	10
БрОСГр1-29-0,5	18	45	450	0,02	–	–
Бр010-ФГ	33	30	350	0,05	5	50
БрОЦ6-6-ФТ	33	30	350	0,05	5	50

Из-за низкой пластичности и недостаточно высоких триботехнических характеристик бронзографиты мало применяют в узлах трения, работающих при ударных нагрузках и при отсутствии жидкостных смазок.Перспективными триботехничкскими материалами для подшипников скольжения являются износостойкие спеченные хромооловянистые и хромоникелевооловянистые бронзы с твердыми смазками.

Основные механические и триботехнические свойства хромооловянистых бронз приведены в таблице 7.

Таблица 7 – Механические и триботехнические свойства спеченных хромооловянистых бронз.

Коэффициент трения

Марка спечённой бронзы	Твердость НВ, МПа	Предел прочности на разрыв, МПа	Относительное удлинение, %	Коэффициент трения	Износ без смазки, мкм/км
Без жидкостной смазки	Со смазкой в масле
БрОХ5-10	1150	330	9,5	0,6	0,09	0,05
БрОМс5-10-2	1150	335	2,5	0,2	0,05	0,009
БрОХМс5-10-4	1150	320	1,5	0,16	0,04	0,007
БрОХМсГр5-10-1-1	1150	320	2,5	0,2	0,05	0,01
БрОХМсГр5-10-2-2	1150	310	1,5	0,15	0,05	0,008

Эти подшипники могут работать в узлах трения при повышенных температурах. (~100 °С) и значительных скоростях скольжения (до 30 м/с) в условиях агрессивных сред и высоких давлений. Хромооловянистые и хромоникелеоловянистые бронзы целесообразно применять для изготовления деталей, работающих в узлах трения без жидкостной смазки при средних и тяжелых условиях эксплуатации, а также в изделиях общего машиностроения, работающих в обычных условиях, с целью повышения их ресурса работы.

Детали узлов трения

Специфика применения металлокерамических изделий обусловлена их свойством хорошо удерживать смазочные материалы. Эта их особенность определяется пористой структурой.

Это свойство способствует изготовлению из порошков деталей, испытывающих в своей работе трение: подшипники скольжения, направляющие втулки, вкладыши, щетки электродвигателей.

Пористая структура подшипников из порошков позволяет пропитывать их маслом. Впоследствии смазка попадает на трущиеся поверхности. Такие подшипники получили название самосмазывающиеся.

Самосмазывающиеся подшипники

Они имеют следующие достоинства:

• экономичность – применение таких подшипников позволяет уменьшить расход масла;
• износостойкость;
• экономия на материале. Замена дорогостоящей бронзы и баббита на железо.

Свойство пористости металлокерамических деталей специалисты могут усилить, если при изготовлении добавлять в них графит, который, как известно, обладает высокими смазывающими свойствами. Подшипники с повышенным содержанием графита не нуждаются в применении масла.

Разновидность порошковой окраски

Для нанесения покраски необходимо следующее оборудование:

Двухпостовая камера напыления

• Камера нанесения. Оборудована отсосами воздуха для сбора краски, возвращения её или утилизации.
• Пневматический пистолет-распылитель. Вместе с питателем образует инструмент для нанесения порошковой покраски.
• Питатель.
• Камера полимеризации. Создаёт достаточную для завершения процесса температуру.

Установка, состоящая из пистолета-распылителя и питателя, создаёт смесь красящего вещества с воздухом, образовывает факел, придаёт электрический заряд частицам краски. Форма факела зависит от установленного сопла пистолета. Заряженные частицы, оседая на обрабатываемой заготовке, удерживаются силой электрического притяжения.

Химико-металлургические методы

Чаще остальных применятся метод восстановления железа. Выполняется он из рудных окислов или окалины, образующейся в процессе горячей прокатки. Во время реакции восстановления металла нужно постоянно отлеживать количество газообразных соединений в составе порошка.

Превышение предельно допустимой нормы их содержания, приведет к повышенной хрупкости порошка. А это, в свою очередь, делает невозможным операцию прессования. Если избежать этого превышения не удалось, применяют вакуумную обработку, удаляющую большое количество газов.

Способ, основанный на распылении и грануляции – самый дешевый и простой при получении порошков. Дробление происходит под воздействием струй расплава или инертного газа. Распыление осуществляется с помощью форсунок. Регулируемые параметры процесса распыления – температура и давление газового потока. Охлаждение – водяное.

Применение электролиза как метода производства порошков наиболее целесообразно для задачи получения медных порошков, которые имеют высокую степень чистоты.

Производство порошковых изделий