Общая характеристика порошковых материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Общая характеристика порошковых материалов

2. Технология производства порошковых материалов

3. Конструкционные порошковые материалы

Заключение

Список использованных источников

Введение

Материалы, полученные методами порошковой металлургии, называются порошковыми материалами или спечёнными материалами.

Порошковые материалы применяются в различных областях техники в следующих случаях: когда требуются материалы (со специальными свойствами), которые невозможно получить другими методами производства, когда в результате особенностей изготовления Порошковые материалы имеют более высокие качественные показатели, чем материалы, полученные по традиционной технологии (литьё, деформация) когда при получении изделий из порошков улучшаются технико-экономические показатели производства по сравнению с традиционной технологией (сокращение расхода сырья, упрощение технологии, уменьшение затрат на оборудование, рабочую силу и т. п.).

Порошковая металлургия -- технология получения металлических порошков и изготовления изделий из них (или их композиций с неметаллическими порошками). В общем виде технологический процесс порошковой металлургии состоит из четырёх основных этапов:

1) производство порошков;

2) смешивание порошков;

3) уплотнение (прессование, брикетирование);

4) спекание.

Применяется как экономически выгодная замена механической обработки при массовом производстве.

Технология порошковой металлургии позволяет получать высокоточные изделия с особыми свойствами или заданными характеристиками, которые невозможно получить каким-либо другим методом.

1. Общая характеристика порошковых материалов

Производство порошковых материалов развивается в связи с рядом их преимуществ по сравнению с металлическими материалами, получаемыми плавлением. Путём плавления трудно или даже невозможно производить материалы с некоторыми особенностями свойств и состава: композиции из металлических и неметаллических материалов и псевдосплавы из компонентов, не смешивающихся в жидком виде (Fe-Pb, W-Cu и др.); пористые металлы и материалы (самосмазывающиеся подшипники, например). Их можно изготовить только способами порошковой металлургии. Путём спекания получают сразу готовые изделия, не требующие дальнейшей обработки резанием. Спечённые материалы в ряде случаев имеют более высокий уровень свойств, чем аналогичные материалы, получаемые плавлением (например, некоторые быстрорежущие и твёрдые материалы, жаропрочные сплавы, бериллий и др.).

Порошковые материалы классифицируют:

- по назначению (жаропрочные, коррозионностойкие, магнитные, антифрикционные, контактные, фрикционные и др.);

- по плотности (плотные, пористые);

- по химическому составу (чистые материалы, сплавы) по технологии получения (спечённые, компактированные).

Порошковые материалы из железа, углеродистой, легированной и нержавеющей сталей, бронзы, латуни, меди и других металлов и сплавов применяют для изготовления различных деталей машин и приборов.

Повышение механических свойств (прочности, твердости, пластичности) деталей из порошковых материалов достигается применением легированных порошков, а также термической или химико-термической обработкой.

Большинство деталей машин делают из компактных материалов на железной и железомедной основе. Железомедные спеченные сплавы обладают высокой прочностью, износостойкостью и вязкостью. Из порошковых сплавов на основе меди широкое применение получили латунные порошки для изготовления беспористых подшипников. Сюда же относятся сплавы на алюминиевой основе типа САП и САС.

К порошковым материалам со специальными свойствами относятся: антифрикционные, фрикционные, пористые, магнитные, вакуумные, контактные и др.

Из антифрикционных материалов изготавливают пористые подшипники скольжения и биметаллические вкладыши. Фрикционные материалы должны иметь стабильный коэффициент трения, быть достаточно прочными, иметь хорошую прирабатываемость, обладать высокой теплопроводностью и коррозионной стойкостью. Пористые материалы широко применяют для изготовления металлических фильтров из порошков железа, меди, латуни, бронзы, алюминия. Эти материалы служат для изготовления деталей, работающих при высоких температурах (лопатки газовых турбин), их также используют для токосъемников, электродов аккумуляторов, горелок.

Методами порошковой металлургии получают твердые магнитные материалы (постоянные магниты), мягкие магнитные материалы и магнитодиэлектрики.

Металлокерамические контактные материалы по своему составу являются псевдосплавами металлов, обладающих высокой прочностью и тугоплавкостью (W, Мо и др.), с металлами, имеющими высокую электропроводность (Аl, Сu и др.). Для мощных воздушных выключателей применяют контакты на основе карбида вольфрама, а для щеток и коллекторных пластин -- медно-графитовые композиции.

Вакуумные порошковые материалы применяют для изготовления ламп накаливания, рентгеновских трубок, катодных ламп, выпрямителей. Они должны обладать высокой механической прочностью, химической инертностью, небольшим коэффициентом линейного расширения, малой распыляемостью. Таким требованиям отвечают тугоплавкие металлы (W, Мо, Та), а также железо высокой чистоты и его сплавы с никелем, молибденом, кобальтом и медью.

Первые спечённые материалы - это платиновые изделия и полуфабрикаты (чаши, тигли, медали) были изготовлены П.Г. Соболевским и В.В. Любарским в 1826 г. На рубеже XIX - XX веков были изготовлены тугоплавкие спечённые материалы, напримермер, вольфрам, получение которого плавлением (Тпл.=3680К) было тогда невозможно. Первые композиты из спечённых материалов, которые можно получать только порошковой металлургией были изготовлены в 1900г. Это композит медь - графит для щёток генераторов и электродвигателей). Во время I мировой войны были разработаны магнитодиэлектрики на основе ферромагнитных металлических порошков, распределённых в диэлектрической связке. В начале 30-х годов XX века начали выпускать спечённые твёрдые сплавы на основе систем вольфрам - медь, серебро - графит и др. композиции из спечённых материалов на основе Cu - Sn, Pb, Zn с добавками неметаллических компонентов (обычно SiO2) для фрикционных дисков.

Важная группа порошковых материалов, получаемых только методами порошковой металлургии - это пористые металлы, сплавы и композиции на основе железа, железографита, бронзы и нержавеющей стали.

В дальнейшем производство пористых спечённых материалов непрерывно прогрессировало, и на их основе стали получать: металлические фильтры для тонкой очистки жидкостей и газов; снарядные пояски из пористого железа, заменявшие медные во время II мировой войны; порошковые материалы для топливных элементов; порошковые материалы для антиобледенителей в самолётах; пламегасители во взрывоопасной атмосфере; порошковые материалы для химических реакций; порошковые материалы для транспорта сыпучих материалов в «кипящем» слое и др.

Последняя по времени возникновения группа спечённых материалов - это высококачественные спечённые материалы, которые по свойствам (прочность, жаропрочность, износостойкость и др.) превосходят литые сплавы аналогичного состава и назначения (у литых сплавов крупнее зерно и есть ликвация). Получены жаростойкие спечённые материалы на основе Ni-Mo, Ni-Cr, Ni-Mo-Cr.

Производство спечённых материалов развивается более высокими темпами, чем получение плавленых металлических материалов, так с 1964 по 1972 годы выпуск спечённых материалов в США возрос в 2,5 раза, а в Японии в 4 раза.

Имеются следующие ограничения по применению спечённых материалов:

наибольший экономический эффект возможен лишь при достаточно массовом выпуске деталей;

высокая стоимость исходных порошков;

необходимость получения достаточно чистых по примесям исходных порошков, особенно железа и его сплавов, так как спечённые материалы не могут быть эффективно очищены от примесей, находящихся в исходных материалах.

Последнее ограничение постепенно теряет своё значение ввиду расширения производства порошков методом распыления расплава железа.

2. Технология производства порошковых материалов

порошок химический металлический

Существует несколько способов получения металлических порошков. Физические, химические и технологические свойства порошков, форма частиц зависит от способа их производства. Вот основные промышленные способы изготовления металлических порошков:

Механическое измельчение металлов в вихревых, вибрационных и шаровых мельницах.

Распыление расплавов (жидких металлов) сжатым воздухом или в среде инертных газов. Метод появился в 60-х годах. Его достоинства -- возможность эффективной очистки расплава от многих примесей, высокая производительность и экономичность процесса.

Восстановление руды или окалины. Наиболее экономичный метод. Почти половину всего порошка железа получают восстановлением руды.

Электролитический метод.

Использование сильного тока приложенного к стержню металла в вакууме. Применяется для производства порошкового алюминия.

В промышленных условиях специальные порошки получают также осаждением, науглероживанием, термической диссоциацией летучих соединений (карбонильный метод) и другими способами.

Основные способы производства порошковых материалов представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 Основные способы получения порошковых материалов

Примечание: А -- холодное прессование + спекание. Б -- двойное прессование + спекание. В -- холодное прессование + спекание + холодная штамповка + отжиг. Г -- холодное прессование + спекание + горячая штамповка + отжиг. Д -- шлифовка или доводка. Е -- холодное прессование + пропитка легким металлом. Ж -- спекание порошка в форме + пропитка легким металлом. И -- пропитка кремнийорганической жидкостью и полимеризация. К -- калибровка. М -- механическая обработка. Н -- холодное прессование + спекание + горячая штамповка с истечением металла + отжиг. П -- нанесение покрытий. ТО -- термическая обработка

Порошки, используемые в порошковой металлургии, состоят из частиц размером 0,01-500 мкм. Получают порошки металлов (или их соединений) механическими и физико-химическими методами. К механическим методам относят измельчение твердых металлов или их соед. и диспергирование жидких металлов или сплавов. Твердые тела измельчают в мельницах с мелющими телами (барабанные вращающиеся, вибрационные, планетарные мельницы), ударного действия (вихревые, струйные, центробежные) и с вращающимися частями (аттриторы, дисковые, кавитационные, молотковые, роторные). При измельчении в мельницах хрупких материалов частицы порошка имеют осколочную форму, при измельчении пластичных материалов-чешуйчатую. Измельченные порошки характеризуются наклепом (изменением структуры и свойств, вызванным пластической деформацией) и, как правило, подвергаются отжигу.

Диспергирование, или распыление, жидких металлов и сплавов осуществляют струей жидкости или газа. При распылении водой под высоким давлением используют форсунки разных форм. Свойства распыленных порошков зависят от поверхностного натяжения расплава, скорости распыления, геометрии форсунок и других факторов. Распыление водой часто проводят в среде азота или аргона. Распылением водой получают порошки железа, нержавеющих сталей, чугунов, никелевых и др. сплавов. При распылении струи расплава газом высокого давления на размер частиц влияют давление газа, диаметр струи металла, конструкция форсунки, природа сплава. В качестве распыляющего газа используют воздух. азот, аргон, водяной пар. Распыление металла осуществляют также плазменным методом или путем разбрызгивания струи металла в воду. Такими способами получают порошки бронз, латуней, олова, серебра, алюминия и др. металлов и сплавов.

Физико-химические методы получения металлических порошков включают: восстановление оксидов металлов углеродом. водородом или углеводородсодержащими газами; металло-термические способы - восстановление оксидов, галогенидов или других соединений металлов др. металлами; разложение карбонилов металлов, металлоорганических соединений; электролиз водных растворов и расплавов солей. Порошки металлоподобных соединений получают теми же методами и, кроме того, синтезом из простых веществ.

Путем восстановления оксидов металлов производят порошки Fe, Co, Ni, W, Mo, Cu, Nb и других металлов. Частицы порошков имеют развитую поверхность. Разложением карбонилов металлов получают порошки Ni, Fe, W, Mo со сферической формой частиц. Электролиз водных растворов солей металлов применяют для приготовления порошков Fe, Cu, Ni, а электролиз расплавов солей - для получения порошков Ti, Zr, Nb, Та, Fe, U. В обоих случаях частицы порошков имеют дендритную форму.

3. Конструкционные порошковые материалы

В особую группу выделяют конструкционные порошковые материалы. К ним относятся фрикционные и антифрикционные порошковые сплавы

Антифрикционные порошковые сплавы имеют низкий коэффициент трения, легко прирабатываются, выдерживают значительные нагрузки и обладают хорошей износостойкостью.

Подшипники из порошковых сплавов могут работать без принудительного смазывания за счет «выпотевания» масла, находящегося в порах.

Подшипники изготовляют из сплавов железа и 1-7% графита (ЖГр1, ЖГрЗ, ЖГр7) и бронзографита, содержащего 8-10% Sn и 2-4% графита (БрОГр10-2, БрОГр8-4 и др.).

Структура металлической основы железографитовых материалов должна быть перлитной, с массовой долей связанного углерода ~1,0%. Такая структура допускает наиболее высокие скорости и нагрузки при наименьшем износе подшипников. Добавка к железографитовым материалам серы (0,8-1,0%) или сульфидов (3,5-4,0%), образующих сульфидные пленки на трущихся поверхностях, улучшает прирабатываемость, уменьшает износ и прихватываемость сопряженных деталей.

Коэффициент трения железографита по стали при смазке 0,07-0,09. Подшипники из железографита применяют при допустимой нагрузке не более 1000-1500 МПа и максимальной температуре 100-200°С. Коэффициент трения бронзографита по стали без смазывания 0,04-0,07 и со смазыванием 0,05-0,007. Допустимая нагрузка 400-500 МПа и рабочая температура не выше 200-250°С.

Механические свойства железографита: уB=180ч300 МПа и твердость 60-120 НВ, а бронзиграфита: уB=30ч50 МПа, твердость 25-50 HВ.

Спеченные материалы на основе железа и меди используют и для фрикционных изделий (дисков, сегментов) в тормозных узлах. Фрикционные изделия должны иметь высокий коэффициент трения, достаточную механическую прочность и хорошее сопротивление износу. Для повышения коэффициента трения в состав фрикционных материалов вводят карбиды кремния, бора, тугоплавкие оксиды и т.д. Компонентами твердого смазочного материала служат графит, свинец, сульфиды и др.

Коэффициент трения по чугуну (трение без смазочного материала) для материала на железной основе составляет 0,18-0,40, а на медной основе - 0,17-0,25.

Фрикционные сплавы на медной основе применяют для условий жидкостного трения в паре с закаленными стальными деталями (сегменты, диски сцепления и т.д.) при давлении до 400 МПа и скорости скольжения до 40 м/с с максимальной температурой 300-350°С. Типичным фрикционным материалом на основе меди является сплав МК5, содержащий 4% Fe, 7% графита, 8% Рb, 9% Sn, 0-2% Ni.

Для работы в условиях трения без смазочного материала (деталей тормозов самолетов, тормозных накладок тракторов, автомобилей, дорожных машин, экскаваторов и т.д.) применяют материалы на железной основе. Наибольшее применение получил материал ФМК-11 (15% Cu, 9% графита, 3% асбеста, 3% SiO2 и 6% барита), фрикционные материалы изготовляют в виде тонких секторов (сегментов, полос) и крепят на стальной основе (для упрочнения).

Широко применяют порошковые материалы для фильтрующих изделий. Фильтры в виде втулок, труб, пластин из порошков Ni, Fe, Ti, Al, коррозионно-стойкой стали, бронзы и других материалов g пористостью 45-50% (размер пор 2-20 мкм) используют для очистки жидкостей и газов от твердых примесей.

В электротехнике и радиотехнике применяют порошковые магниты на основе Fe-Ni-А1-сплава (типа алнико) и др. Свойства порошковых магнитов нередко выше свойств литых магнитов.

Большое применение в машинах для контактной сварки, приборах связи получили контакты из порошковых материалов. Для этой цели применяют псевдосплавы тугоплавких металлов (W и Мо) с медью (МВ20, МВ40, MB60, MB80), серебром (СМ30, СМ60, СМ80, СВ30, СВ50, СВ85 и др.) или с оксидом кадмия (ОК8, ОК12, ОК15) и др. Контакты отличаются высокой прочностью, электропроводимостью и электроэрозионной стойкостью. Токосъемники (щетки) изготовляют из порошков меди (или серебра) с графитом (углем).

Все больше порошковая металлургия применяется для изготовления специальных сплавов: жаропрочных на никелевой основе, дисперсионно-упрочненных материалов на основе Ni, Ai, Ti и Cr. Методом порошковой металлургии получают различные материалы на основе карбидов W, Мо и Zr.

Спеченные алюминиевые сплавы (САС) применяют тогда, когда путем литья и обработки давлением трудно получить соответствующий сплав. Изготовляют CAC с особыми физическими свойствами. САС содержат большое количество легирующих элементов (например, САС1: 25-30% Si, 5-7% Ni, остальное Аl). Из САС1 делают детали приборов, работающих в паре со сталью при температуре 20-200°С, которые требуют сочетания низкого коэффициента линейного расширения и малой теплопроводности.

В оптико-механических и других приборах применяют высокопрочные порошковые сплавы системы А1-Zn-Mg-Си (ПВ90, ПВ90Т1 и др.). Эти сплавы обладают высокими механическими свойствами, хорошей обрабатываемостью резанием и релаксационной стойкостью. Изделия из этих сплавов подвергают термической обработке по режимам Т1 и Т2 (см. c. 396).

Применяют гранулированные специальные сплавы c высоким содержанием Fe, Ni, Co, Mn, Сr, Zr, Ti, V и других элементов, мало растворимых в твердом алюминии. Гранулы - литые частицы диаметром от десятых долей до нескольких миллиметров. При литье центробежным способом капли жидкого металла охлаждаются в воде со скоростью 104-106°С/с, что позволяет получить сильно пересыщенные твердые растворы переходных элементов в алюминии. При последующих технологических нагревах (400-450°С) происходит распад твердого раствора c образованием дисперсных фаз, упрочняющих сплав.

Все более широкое применение получают компактные материалы (1-3% пористости) из порошков углеродистой и легированной стали, бронз, латуней, сплавов алюминия и титана для изготовления всевозможных шестерен, кулачков, кранов, корпусов подшипников, деталей автоматических передач и других деталей машин.

Изготовляют большое количество порошковых конструкционных (СП10-1 ... СП10-4, СП30-1 ... СП30-4, СП30Д3-2, СП60Н2Д2-2, СП30Н3М-2, СП40Х-2, СП45Х3-2 и др.), мартенситно-стареющих (СПН12К5М5Г4ТЮ, СПН12Х5М3Т и др.), коррозионно-стойких (СПХ17Н2, СПХ18Н15, СПХ23Н28 и др.) и других сталей. В маркировке сталей добавочно введены буква «С», которая указывает класс материала - сталь, и буква «П» - порошковая. Цифра после дефиса показывает плотность стали в процентах. Стали подвергают термической обработке.

Свойства сталей, полученных из порошков после термической обработки, во многих случаях уступают свойствам сталей, полученных обычными металлургическими методами. Механические свойства порошковой стали зависят от плотности и содержания кислорода. При пористости более 3% заметно уменьшаются уВ, у0,2, KCU, а порог хладноломкости t50 повышается даже при увеличении пористости более 2%. С повышением содержания кислорода более 0,01% снижается KCU и повышается t50.

Поэтому рекомендовать порошковую технологию для высоконагруженных стальных деталей нельзя. Вследствие более низких механических свойств, высокой стоимости исходного материала и энергоемкости процесса спекания порошковая конструкционная сталь может быть использована только для изготовления мало нагружаемых изделий, главным образом сложной формы.

Сплавы на основе цветных металлов (АЛП-2, АЛПД-2-4, АЛПЖ12-4, БрПБ-2, БрПО10-2, БрПО10Ц3-3, ЛП58Г2-2 и др.) нашли широкое применение в приборостроении электротехнической промышленности и электронной технике. В марке сплавов первые буквы, указывают класс материала («Ал» - алюминий, «Б» - берилий, «Бр» - бронза, «Л» - латунь и т.д.), буква «П» - порошковый сплав и число после дефиса - плотность материала в процентах. Буквы («Д» - медь, «Ж» - железо, «Г» - марганец и др.) и цифры в марке указывают состав сплава. Так же как обычные сплавы, порошковые сплавы на основе цветных металлов обладают высокой теплопроводностью и электропроводимостью, коррозионной стойкостью, немагнитны, хорошо обрабатываются резанием и давлением.

Порошковая металлургия позволяет увеличить коэффициент использования металла и повысить производительность труда.

Экономическая эффективность достигается благодаря сокращению или полному исключению механической обработки. Вследствие высокой стоимости пресс-форм изготовление деталей машин методами порошковой металлургии эффективно только в массовом производстве.

Применение порошковых материалов рекомендуется при изготовлении деталей простой симметричной формы (цилиндрические, конические, зубчатые), малых массы и размеров. Конструктивные формы детали не должны содержать отверстий под углом к оси заготовки, выемок, внутренних полостей и выступов. Конструкция и форма детали должны позволять равномерно заполнять полость пресс-формы порошками, их уплотнение, распределение напряжений и температуры при прессовании и удалении изделия из пресс-формы.

Заключение

В настоящее время порошковая металлургия как прогрессивный метод изготовления изделий все шире применяется в технике. Изделия, полученные при помощи этого метода, отличаются высокой точностью размеров и хорошей чистотой поверхности, что часто исключает необходимость дальнейшей механической обработки их. По сравнению с другими способами изготовления изделий (литьем, обработкой давлением, резанием и др.) порошковая металлургия обеспечивает большую экономию металлов , трудовых затрат, снижает себестоимость готовой продукции. Например, при изготовлении шестерни масляного насоса автомобиля из стального проката посредством механической обработки 60--65% металла уходит в стружку. При изготовлении этой же детали из смеси порошков железа (96%), меди (3%) и графита (1%) методом порошковой металлургии потери металла в отходы составляют не более 1--2%.

Бурное развитие порошковой металлургии объясняется также особыми технологическими преимуществами получения изделий. Она позволяет получать металлокерамические материалы с особыми свойствами (например, пористые материалы с контролируемой пористостью), которые невозможно получить другими способами обработки. Пористые металлокерамические изделия -- подшипники скольжения ч.1--4.10), фильтры, антиобледенители и др. -- находят широкое применение в промышленности.

Методом порошковой металлургии получают изделия из тугоплавких металлов и соединений, металлы особо высокой чистоты, изделия из композиций металлов с неметаллическими материалами (асбестом, слюдой, окислами и т. д.), сплавы из несплавляющихся друг с другом металлов (например, медь с вольфрамом), которые традиционными способами (литьем) получить часто невозможно.

Список использованных источников

1. Кудрин, В.А. Технология получения качественной стали [Текст] // В.А. Кудрин, В.М. Парма. - М: Металлургия, 1984. 320 с.

2. Поволоцкий, Д. Я.Электрометаллургия стали и ферросплавов [Текст] / Д.Я. Поволоцкий, В. Е.Рощин, М. А. Рысс и др. - М.: Металлургия, 1984. - 568с.

3. Симонян, Л.М. Металлургия спецсталей. Теория и технология спецэлектрометаллур-гии: Курс лекций [Текст]. / Л.М. Симонян, А.Е. Семин, А.И. Кочетов. - М.: МИСиС, 2007. - 180 с.

4. Кудрин, В.А. Теория и технология производства стали: Учебник для вузов. - М.: «Мир», ООО «Издательство ACT», 2003.- 528 с.

5. Гольдштейн, М.И. Специальные стали: учебник для вузов [Текст] / М.И. Гольдштейн, Грачев С.В., Векслер Ю.Г. - М.: Металлургия, 1985. - 408 с.

6. Падерин, С.Н. Теория и расчеты металлургических систем и процессов [Текст]. / С.Н. Падерин, В.В. Филиппов. - М.: МИСиС, 2002. - 334 с.

7. Братковский, Е.В., Электрометаллургия стали и спецэлектро-металлургия [Текст] / Е.В. Братковский, А.В. Заводяный.- Новотроицк: НФ МИСиС, 2008.

8. Кудрин, В.А. Теория и технология производства стали: учебник для вузов [Текст] / Ю.В. Кряковский, А.Г. Шалимов. - М.: «Мир», ООО «Издательство АСТ», 2003. - 528 с.

9. Воскобойников, В.Г. Общая металлургия: учебник для вузов [Текст] / В.Г. Кудрин, А.М. Якушев. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2002. - 768 с.

10. Альперович, М.Е. Вакуумный дуговой переплав и его экономическая эффективность/ М.Е. Альперович. -- М.: Металлургия, 1979. -- 235 с.

11. Донской, А.В. Электроплазменные процессы и установки в машиностроении [Текст] / А.В. Донской, В.С. Клубникин. - Л.: «Машиностроение», ЛО, 1979. - 221 с.

Размещено на Allbest.ru