Пористые порошковые материалы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физико-технологический факультет

Кафедра: «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы»

Курсовая На тему:

«Пористые порошковые материалы»

По дисциплине:

«Процессы порошковой металлургии»

Выполнил: Студент 5-ЗФ-34 Мочалин Д.В.

Проверил: Титова Ю.В.

Самара 2015

Содержание

Введение

1. Свойства пористых порошковых материалов

1.1 Характеристики структуры

1.2 Форма и состояние поверхности пор

1.3 Коэффициент извилистости пор

1.4 Размеры пор

1.5 Удельная поверхность пор

2. Методы получения пористых порошковых материалов

2.1 Прессование в пресс - формах

2.2 Изостатическое прессование

2.3 Прокатка порошков

2.4 Мундштучное прессование

2.5 Шликерное формование

2.6 Динамическое формование

2.7 Спекание порошковых материалов и изделий

3. Области применения пористых порошковых материалов

4. Перспективы пористых порошковых материалов

Заключение

Список использованной литературы

порошковый спекание пористый материал

Введение

Порошковой металлургией - называют область науки и техники, охватывающую производство металлических порошков, а также изделий из них или их смесей с неметаллическими порошками. Ее важными отличительными чертами являются получение веществ в порошкообразном состоянии и проведение операции нагрева (спекания) заготовок из порошков при температуре ниже точки плавления соответствующего металла или, в случае смеси разнородных порошков, ниже температуры плавления наименее тугоплавкого компонента основы. Таким образом, последовательное осуществление в едином цикле операций получения порошка и превращения его в изделие составляет суть порошковой металлургии. Среди имеющихся разнообразных способов обработки металлов порошковая металлургия занимает свое особое место, так как позволяет не только производить изделия различных форм и назначений, но и создавать принципиально новые материалы, получить которые иным путем крайне трудно или вообще невозможно. Порошковая металлургия успешно конкурирует с литьем, обработкой давлением, резанием и другими методами, дополняя или заменяя их. Являясь одной из молодых отраслей современной техники, порошковая металлургия одновременно есть и древнейший способ производства металлов и изделий из них.

Порошки золота, меди и бронзы применяли как краски и использовали для декоративных целей в керамике и живописи, а также для украшения лица во все известные нам времена. Некоторые древнейшие рукописи были раскрашены золотом. Найденные при раскопках многие из орудий египтян изготовлены из железа и относятся к 3000 году до нашей эры, а знаменитый памятник Индии -- колонна в городе Дели, выполнена из очень чистого железа. Она весит около 6,5 тонн, имеет высоту 7,3 метра при диаметре у основания 0,42 метра и относится к 415 году. Однако известно, что до начала XIX века не было способов получения высоких температур для плавления чистого железа и пользоваться методами литья. Предметы из железа были изготовлены так называемым - кричным методом. Сначала в горнах при температуре ~1000°С восстановлением окисленной железной руды углем получали крицу(губку), которую затем многократно проковывали в нагретом состоянии, заканчивая процесс нагревом изделия в горне (для уменьшения пористости). На территории нашей страны железо впервые получено из руд в 1400 году до нашей эры. Исследования советских археологов показали, что в Киевской Руси из крицы производили различные предметы - оружие, изделия бытового назначения. С появлением доменного передела от проковки крицы отказались и о порошковой металлургии временно забыли примерно на 400 лет. Заслуга возрождения древних приемов обработки металлов и объединения их в особый технологический метод - порошковую металлургию, принадлежит русскому ученому Петру Григорьевичу Соболевскому (1782-1841), которому в работе помогал химик Василий Васильевич Любарский (1795-1854).

В 1826-1827 годах была разработана технология изделий из платинового порошка (монеты, тигли), промышленный выпуск которых опередил работу англичанина Волластана, предложившего в 1828 году аналогичный способ получения компактной платины.

Развитие печной техники, сделавшее возможным достижение высоких температур, привело к освоению производства платиновых изделий литьем, в связи с чем к середине прошлого века о порошковой металлургии снова забыли и вспомнили лишь через 50 лет, когда бурное развитие электротехники потребовало материалов (таких как проволока из тугоплавких металлов, медно-графитовые щетки), которые нельзя было изготовить обычными, известными в то время методами. Затем появились разнообразные изделия из порошков: самосмазывающиеся подшипники, твердые сплавы для обработки высокопрочных новых материалов, магнитные материалы.

Сейчас трудно назвать область современной техники где бы не применялись методы порошковой металлургии для изготовления изделий или сами порошковые изделия.

Освоение технологии различных порошков дало толчок развитию работ в области производства из них материалов и изделий конструкционного назначения. Помимо технологических разработок были проведены обширные исследования в области создания научных основ порошкового металловедения и порошковой металлургии в целом.

Типовая технологическая схема производства заготовок и изделий методом порошковой металлургии включает четыре основные операции:

1) получение порошка исходного материала, 2) формование заготовки из него 3) спекание ее, 4) окончательную обработку (регулирование структуры, калибрование, механическую и химико-термическую обработки). Каждая из указанных операций вносит свой важный вклад в формирование всех свойств конечных порошковых изделий. Возможные отклонения от приведенной типовой технологической схемы могут выражаться в совмещении операций формования и спекания при горячем прессовании, в спекании свободно насыпанного порошка (при отсутствии формования заготовки из порошка), в отсутствие какой-либо обработки после спекания.

Совокупность основных технологических операций позволяет решать с помощью порошковой металлургии две важнейшие задачи:

1) изготовление материалов и изделий с особыми составами, структурами и свойствами, которые недостижимы другими методами производства; примером могут служить порошковые материалы и изделия пористые (антифрикционные, фрикционные,фильтр), высокотемпературные тугоплавкие металлы, дисперсноупрочненные, волокнистые материалы), инструментальные (твердые сплавы, сверхтвердые материалы).

2) изготовление материалов и изделий с обычными составами, структурами и свойствами, но при значительно более выгодных экономических показателях их производства.

1. Свойства пористых порошковых материалов

Важной особенностью порошковой металлургии является возможность изготавливать пористые материалы, работоспособность и области применения которых определяются структурой пор.

Пористые материалы являются прочными и устойчивыми против коррозии, могут работать в широком диапазоне температур (в зависимости от рода материала), не засоряют фильтруемую жидкость продуктами фильтра, легко подвергаются механической обработке и сварке, допускают многократную регенерацию, обладают высокой тепло- и электропроводностью.

В зависимости от способа производства пористые материалы получают с пористостью до 98% и размером пор от долей микрометра до нескольких миллиметров. Для каждого способа производства с учетом характеристик исходного материала имеется определенная возможность получать материалы с различными размерами, геометрией пор и пористостью (Рисунок 1).

Рисунок 1 Диапазоны значений пористости и размеров пор пористых материалов из порошков (1), волокон (2) и ячеистых материалов (3)

Свойства пористых материалов зависят от свойств исходных порошков и технологического процесса их изготовления. Для их изготовления используются готовые металлические порошки как со сферической, так и несферической формой частиц с размерами от нескольких до тысячи микрометров из различных металлов и сплавов, с последующей формовкой и спеканием.

Пористые среды характеризуются рядом параметров, совокупность которых дает полное представление о свойствах пористого материала. К этим параметрам относятся: пористость, ее распределение по объему материала; вид пористости (открытая, закрытая, полуоткрытая или тупиковая); просвет; форма и коэффициент извилистости пор; распределение пор по размерам (средние и максимальные размеры пор); удельная поверхность пор; состояние поверхности пор; проницаемость и распределение проницаемости по площади фильтрации пористого материала; вязкостный и инерционный коэффициенты; физико-механические свойства пористого материала.

1.1 Характеристики структуры

Пористостью (П) - называется отношение объема V_п пустот в материале к его полному объему V. Пористость определяют по одной из формул: П = V_п/V, или П = (m_н - m)/(r_ж V), где m_н - масса насыщенного жидкостью материала.

Если известны объем и масса пористого тела, а также плотность компактного материала, то пористость материала определяют по формуле: П = 1 - r/r_к.

Поры в материалах разделяют на три вида: открытые (пористость П_о ), тупиковые (пористость П _т ) и закрытые (пористость П _з ). Общая пористость тела слагается из этих трех видов пористости: П =П_о + П_з + П_т.

Открытая пора сообщается с поверхностями пористого тела и участвует в фильтрации жидкости или газа при наличии градиента давления на пористом теле. Закрытая пора не сообщается с поверхностью пористого тела и не участвует в фильтрации жидкости или газа. Часть пор соединяется только с одной поверхностью пористого тела, образуя тупиковую пористость. Тупиковые (полуоткрытые или полузакрытые) поры при фильтрации частично заполняются жидкостью, но не влияют на проницаемость пористого материала.

Закрытые и тупиковые поры образуются в результате пластической деформации частиц порошка при высоких давлениях прессования, а также из-за наличия внутренней пористости частиц. Доля тупиковой и закрытой пористости при П >0,18 составляет 2-5% общей пористости материала. При П <0,18 эта доля возрастает. При П =0,07-0,08 открытая пористость практически исчезает.

Пористость отдельных участков проницаемого изделия зависит прежде всего от равномерности распределения частиц по размерам в объеме шихты перед формованием и от технологических режимов обработки этих участков при прессовании и спекании.

При одно - и двустороннем прессовании шихты в пресс-формах всегда наблюдают изменение пористости изделий в направлении прессования. Например, втулки, изготовленные этими способами, имеют существенную неравномерность пористости по высоте (до 80% от средней), при этом увеличение соотношения высоты втулки к диаметру всегда увеличивает неравномерность распределения пористости по высоте.

Распределение пористости в материале можно определить методом микрофотографий, методом измерения расхода газа при его фильтрации через отдельные участки пористой поверхности, разрезкой материала на отдельные элементы с последующим определением пористости каждого из них и другими методами.

Просветом (Ф) - называется доля площади сечения пористого материала, приходящаяся на пустоты. Часто полагают, что пористость и просвет пористого материала численно равны.

Основным методом определения величины просвета является исследование шлифов или микрофотографий поверхности материалов. Этот метод часто используют и для определения пористости материалов с анизотропной структурой.

1.2 Форма и состояние поверхности пор

Форма пор сложна и зависит от формы и размеров частиц, давлении прессования, режимов спекания. Наиболее простую форму пор имеют пористые материалы из сферических частиц одного размера. Однако, даже в случае плотнейшего расположения эта форма достаточно сложна, например, для сфер поперечные сечения порового канала - криволинейные треугольники с переменной площадью по длине канала.

В пористых материалах, изготовленных из несферических частиц разного размера, форма пор носит ярко выраженный случайный характер. Поры имеют по всей длине большое число сужений и расширений; на поверхности пор, как правило, встречаются макронеровности в виде выступов и впадин. Поры соединяются с соседними пустотами через сужения в плоскости, непараллельной направлению фильтрации жидкости; направление движения жидкости в порах почти всегда не совпадает с направлением фильтрации жидкости; путь частицы жидкости при фильтрации всегда больше толщины образца вследствие извилистости пор и т. п.

На структуру порового пространства существенно влияют состояние поверхности и форма частиц. Чем сложнее форма частиц и больше число неровностей на поверхности частиц, тем неоднороднее поры спеченного пористого материала.

При спекании порошковых пористых материалов состояние поверхности частиц может измениться в том случае, если интенсивно протекают процессы диффузии и межчастичной собирательной рекристаллизации. Эти процессы интенсивны при повышении температур спекания и использовании мелких частиц при изготовлении материалов.

Степень сглаживания шероховатостей на поверхности пор при спекании оценивают по результатам измерения удельной поверхности пор прессованных образцов до спекания S^V_уд.н. и после спекания S^V_уд.к. Результаты опытов показывают заметное изменение поверхности пор лишь у мелкозернистых материалов (d_ч=10-12мкм). В остальных случаях уменьшение удельной поверхности пор образцов при спекании не превышает 10-20%.

Для определения формы и состояния поверхности пор обычно применяют метод исследования микрофотографий, позволяющий получить представление о строении порового пространства и некоторые сведения о шероховатости поверхности пор.

Известен также метод изучения структуры порового пространства наполнением пор жидким веществом. После отвердения этого вещества и удаления основного материала (растворением, травлением) остается твердая губка, точно воспроизводящая поровое пространство. Исследуя эту губку, можно определить форму и размеры пор, шероховатость их поверхности и некоторые другие параметры порового пространства.

1.3 Коэффициент извилистости пор

Минимальная длина поровых линий в порах всегда равна или больше толщины пористого тела в направлении фильтрации среды. Это увеличение длины пор по сравнению с толщиной пористого тела характеризует коэффициент извилистости пор: а_изв.=l_п/l. Для тела, образованного сферическими частицами одного диаметра, показано, что коэффициент извилистости пор меняется от 1,065 до 1,0 при изменении пористости от 0,259 до 0,476. Для насадки сферических частиц одного диаметра коэффициент извилистости пор равен 1,13 при пористости 0,425. Насадки сфер из частиц разного диаметра с отношением d_ч.mах/d_ч.min= 1,8 - 3,0 при изменении пористости от 0,29 до 0,355 имеют коэффициент извилистости пор 1,15 - 1,49.

У реальной пористой среды коэффициент извилистости почти всегда больше, чем у идеальной. Это объясняется дисперсностью порошков, искажением формы частиц по сравнению со сферической и наличием макрошероховатостей на поверхности пор. Уменьшение пористости, усложнение формы и увеличение дисперсности частиц сопровождается ростом коэффициента извилистости (а_изв). Обычно значения коэффициента извилистости пор находятся в пределах 1,0 - 1,5 при изменении пористости от 0,84 до 0,26. Значениям пористости 0,3 - 0,4 соответствуют значения коэффициента извилистости пор 1,3 - 1,2, соответственно.

Коэффициент извилистости пор определяют либо из геометрических соображений (для пористых структур с относительно несложным строением порового пространства), либо по результатам измерения электрического сопротивления электропроводной жидкости, заполняющей поры неэлектропроводного материала.

1.4 Размеры пор

Распределение пор по размерам обычно подчинено одному из следующих законов: нормальное распределение или логарифмически нормальное распределение. Распределение пор по размерам используют для определения таких распространенных характеристик, как максимальный и средний размеры пор.

Наиболее распространенные методы определения размеров пор следующие: вдавливание ртути, вытеснение жидкости из пор, исследование микрофотографий.

Метод вдавливания ртути основан на свойстве ртути не смачивать многие твердые тела. Для заполнения объема пор тела ртутью с краевым углом смачивания, превышающим 90°, необходимо внешним давлением преодолеть сопротивление поверхностных сил (сил капиллярного сопротивления). По известному давлению вдавливания ртути в поры р, поверхностному натяжению для ртути s и краевому углу смачивания q на границе раздела фаз ртуть - поверхность пор определяют размер пор по следующей формуле, полагая, что они имеют в сечении форму круга: d_п = 4scos q/p. По размеру пор и массе ртути, вошедшей в поры данного размера, определяют их количество. Изменяя давление, можно определить распределение пор по размерам.

Метод вытеснения жидкости из пор, как и метод вдавливания ртути, основан на использовании сил капиллярного взаимодействия. Для определения размеров пор по той же формуле свободный объем пористого образца предварительно заполняют смачивающей жидкостью (спирт, вода), а затем определяют давление газа, необходимое для вытеснения жидкости из пор. Если одновременно учесть расход газа через открывшиеся поры, то можно определить количество пор данного размера. Последовательно увеличивая давление, можно найти распределение пор по размерам. При определении среднего размера пор этим методом принимают в формуле q=0 из-за отсутствия истинных значений.

1.5 Удельная поверхность пор

Удельная поверхность пор - это площадь внутренних поверхностей пор в единице объема S^V_уд., м²/м³ или в единице массы S^m_уд., м²/г, пористого материала. Величины S^V_уд. и S^m_уд. связаны соотношением: S ^V_уд. = S^m_уд. r_к(1 - П) 10⁶, где r_к - плотность компактного материала. Удельную поверхность пор определяют несколькими методами, из которых наибольшее распространение получили: исследование: шлифов (микрофотографий) пористого материала, адсорбция газов, фильтрация газов, ртутная порометрия.

2. Методы получения пористых порошковых материалов

По значимости и объемам применения пористые материалы можно условно расположить в следующем порядке: бронза, нержавеющая сталь, никель и его сплавы, титан, серебро, платина, вольфрам, хром, алюминий. Изготавливаются пористые материалы также из карбидов, боридов, силицидов и других тугоплавких металлов и соединений.

Технология изготовления пористых материалов из металлических порошков включает в себя традиционную для порошковой металлургии цепочку операций: формование и спекание.

Основные требования, которые предъявляются к формованию при изготовлении пористых материалов, связаны с получением изделий заданных форм и размеров с требуемой пористостью и обеспечением равномерного или заданного распределения пористости и соответственно проницаемости.

Рассмотрим области применения, достоинства и недостатки некоторых технологических процессов получения пористых материалов из металлических порошков. Разработанные способы прессования порошков позволяют получать продукцию, начиная от готовых изделий и кончая заготовками любой формы и размеров. Основными способами формования изделий из металлических порошков являются:

- прессование в пресс - формах;

- изостатическое прессование;

- прокатка порошков;

- мундштучное прессование;

- шликерное формование;

- динамическое прессование.

2.1 Прессование в пресс - формах

Это прессование наиболее распространено в связи с тем, что оно обеспечивает получение деталей, которые практически не подвергаются механической обработке. Прессование в пресс-формах может быть односторонним и двухсторонним. Одностороннее прессование применяется при изготовлении изделий простой конфигурации, у которых отношение длины или высоты к диаметру или толщине не превышает 3мм. Размеры прессуемого изделия в направлении, перпендикулярном направлению прессования, определяются размерами полости пресс - формы и являются для данной пресс-формы стабильными. Размер в направлении прессования (по высоте) может меняться при каждом очередном прессовании. Получение изделия заданной высоты можно обеспечить либо прессованием с использованием ограничителей высоты (так называемое прессование до упора), когда ход плунжера пресса ограничивается специальными ограничителями, либо путем контроля давления прессования по индикатору или манометру. Прессование до упора обеспечивает высокую производительность и получение изделий с размерами, которые зависят от колебаний характеристик порошка вследствие влияния последних на упругое последействие. Метод прессования по давлению основывается на наличии точного соответствия между приложенным давлением и плотностью спрессованного брикета для каждого сорта порошка. Операция прессования из - за специфических особенностей накладывает ограничения на форму и размеры прессуемых изделий. Например, невозможно получить изделия с боковыми впадинами, которые приходится изготавливать дополнительной механической обработкой. Отверстия, перпендикулярные направлению прессования, необходимо высверливать после операций прессования и спекания.

Наиболее распространенными видами брака спрессованных брикетов являются расслойные трещины (расслой) и осыпание граней. Причинами расслоя являются неправильный режим прессования (высокое давление прессования при использовании непластичных порошков с большим упругим последействием), неправильная конструкция пресс - формы и плохо обработанные стенки её, неравномерная засыпка шихты в полость матрицы и другие факторы.

При горячем прессовании используются графитовые пресс-формы или пресс - формы из жаропрочных сталей. В этом случае процесс прессования обычно совмещается со спеканием, так как применяемые температуры горячего прессования составляют 0,5 - 0,8 от температуры плавления основного компонента смеси.

2.2 Изостатическое прессование

Изостатическим называют прессование в эластичной оболочке под действием всестороннего сжатия. Если сжимающее усилие создается жидкостью, прессование называют гидростатическим, а если газом - газостатическим.

При гидростатическом прессовании порошок засыпается в резиновую оболочку, помещают её в рабочую камеру гидростата, в которой создают требуемое давление жидкостью с помощью насоса высокого давления. В качестве жидкости может использоваться масло, вода, глицерин. При этом виде прессования почти отсутствует трение частиц порошка о стенки оболочки, так как те из них, которые прилегают к оболочке, перемещаются вместе с ней. Равенство и равномерность сжимающих усилий во всех направлениях приводит к тому, что боковое давление равно единице. Плотность различных участков получаемой прессовки практически одинаково. Порошок, находящийся в оболочке, до приложения к нему давления подвергают вибрации для обеспечения равномерной плотности засыпки и дегазации, так как воздух, имеющийся в порах засыпки, будет препятствовать уплотнению. Гидростатическим прессованием получают цилиндры, трубы, шары и другие изделия.

К недостаткам гидростатического прессования следует отнести трудности получения брикетов размерами близкими к заданным и необходимость применения механической обработки при изготовлении изделий точных форм и размеров, а также низкую производительность процесса.

Газостатическое прессование пока не получило широкого распространения из-за сложности конструкций прессующих устройств. Оно может проводится при комнатной температуре или при повышенных температурах. Прессование при высоких температурах совмещается с процессом спекания и позволяет получать изделия практически любых материалов с относительной плотностью, близкой к теоретической.

2.3 Прокатка порошков

Прокатка металлических порошков представляет собой формование в прокатном стане. Сущность метода прокатки заключается в подаче порошка в зазор между двумя вращающимися навстречу один другому валками. Силами внешнего трения порошок увлекается в зазор и уплотняется в изделие достаточной прочности, обеспечивающей транспортировку его на спекание. Поступление порошка в валки может быть свободным, когда он поступает в очаг деформации под действием собственной массы, и под давлением, когда порошок в валки подаётся принудительно, с помощью специальных устройств. Например, подача порошка в валки с помощью шнекового устройства, когда давление подпора порошка в очаге деформации создается за счет разности производительности шнека и пропускной способности валков. Толщина и плотность заготовки зависят от химического и гранулометрического состава порошка, формы его частиц, давления порошка на валки, состояния поверхности валков и других факторов. При прокатке каждая частица в зависимости от усилия прессования и формы частиц будет иметь разную степень деформации и различную плотность. Частицы шаровой формы будут меньше деформироваться, чем частицы дендритной или игольчатой формы и заготовка из этих частиц будет иметь меньшую плотность. Кроме того, заготовка из частиц с сильно развитой поверхностью обладает повышенной плотностью.

Процесс прокатки порошка от начала поступления его в валки и до выхода из валков делится на три периода. В первый период, который называется начальным неустановившемся, заготовка имеет переменные толщину и плотность, так как плотность порошка, заполняющего зону деформации, изменяется по высоте. При вращении валков в зазор между ними увлекаются деформируемые частицы порошка, которые вызывают расклинивающее действие, а в очаг деформации поступают новые порции порошка. Когда процесс вовлечения и прессования порошка уравновешивается сопротивлением стана упругим деформациям, наступает второй период, называемый установившимся периодом прокатки, в котором выходящая из валков заготовки имеет постоянную плотность. В третьем периоде, называемым нестационарным, происходят обратные явления в связи с разгрузкой валков стана. В начальном и конечном периодах параллельно с изменением плотности изменяется давление порошка на валки и в результате упругой деформации стана изменяется толщина заготовки. В связи с этим при прокатке порошков стремятся к максимальному сокращению длительности этих периодов, а концевые участки заготовок подлежат обрезке, так как они обычно неоднородны по плотности.

Порошок можно прокатывать в холодном или горячем состоянии. Прокатка при комнатной температуре наиболее проста, но менее эффективна, чем прокатка подогретого порошка. Заготовки после прокатки обычно спекают в печах непрерывного действия в защитной атмосфере. В некоторых случаях после спекания применяют ещё одну или несколько повторных уплотняющих прокаток и спеканий, обеспечивающих получение заготовки с заданными свойствами. При одновременной прокатке нескольких порошков, различающихся по свойствам металлов, или порошка и листового металла получают многослойный прокат.

Прокатка металлических порошков применяется для получения заготовок конструкционных, электротехнических, фрикционных и антифрикционных изделий (лента, листы, проволока), а также в производстве фильтров и других пористых изделий для очистки разных сред.

2.4 Мундштучное прессование

Мундштучным прессованием называют формование заготовок путем продавливания смеси порошка с пластификатором через отверстие в матрице. При мундштучном прессовании можно продавливать через мундштук либо смесь порошка со связкой, либо предварительно спрессованную заготовку, которую перед продавливанием подогревают. В качестве пластификатора применяют парафин, поливиниловый спирт, крахмал, бакелит. Мундштучное прессование эффективно при производстве прутков, труб, уголков и других больших по длине изделий из плохо прессуемых материалов, в том числе тугоплавких металлов и соединений, твердых сплавов и других.

2.5 Шликерное формование

Является способом изготовления изделий путём заливки шликера, представляющего собой однородную концентрированную взвесь порошка в жидкости, в пористую форму с последующей сушкой. При этом процесс формования совершается без приложения внешнего давления. Иногда этот процесс формования называют шликерным литьём.

Для приготовления шликера используют очень мелкие порошки, взвесь которых в жидкости (растворы на основе воды и спирта) однородна и устойчива в течение длительного времени. Шликер содержит некоторое количество добавок (кислоты, щелочи, различные соли), препятствующих скапливанию частиц и улучшающих смачивание частиц порошка и стенок формы жидкостью. Форму для шликерного формования изготавливают из гипса, пористой керамики, нержавеющей стали и других подобных материалов. Заготовку получают путем заливки шликера во влагопоглощающую форму, жидкость из которой удаляется через поры.

Механизм формования заключается в направленном осаждении твердых частиц на стенках формы под действием направленных потоков жидкости. Потоки возникают в результате впитывания жидкости в поры формы под влиянием разрежения или под воздействием центробежных сил при центробежном шликерном формовании. Скорость наращивания твердого слоя зависит от скорости удаления жидкости, размера частиц, соотношения между твердой и жидкой фазами в шликере, температуры, количества добавок. Связь между частицами обусловлена в основном механическом зацеплением. Полученная заготовка извлекается из формы и подвергается сушке и спеканию. Для облегчения удаления заготовки внутреннюю поверхность формы покрывают тонким слоем специального вещества (мыло, графит, бумага, тальк), препятствующего схватыванию с формируемым материалом. Изделия, полученные шликерным формованием, вследствие большой исходной пористости, которая может достигать 60%, при спекании дают значительную усадку. Однако плотность изделий после спекания получается достаточно большой и равномерной по объёму.

Методом шликерного формования изготавливают изделия сложных форм (трубы, тигли, турбинные лопатки), которые трудно получить традиционными методами прессования, особенно в случае уплотнения хрупких порошкообразных материалов.

2.6 Динамическое формование

Представляет собой процесс прессования с использованием импульсных нагрузок или вибрации. Отличительной чертой такого формования является высокая скорость приложения нагрузки к уплотняемому порошку. В связи с этим его часто называют высокоскоростным. В качестве источника энергии используют энергию взрыва заряда взрывчатого вещества, ударную волну высокой интенсивности, возникающую при разряде аккумулированной электрической энергии и воздействующую на материал через жидкость, энергию сжатого газа, вибрацию. При взрывном формовании энергия взрыва сообщает определенную скорость устройству, ударяющему по прессующему пуансону, либо передается на прессуемый порошок через жидкость, либо воздействует на прессуемый порошок, заключенный в эластичную оболочку или тонкостенный металлический контейнер. Такой высокоскоростной вид прессования приводит к выделению тепла и нагреву контактных межчастичных участков, что облегчает процесс деформирования. В результате плотность заготовок достигает большего значения, чем при обычных методах прессования низкоскоростными нагрузками.

Разновидностью динамического формования является динамическое горячее прессование (метод ДГП). Метод основан на предварительном холодном формовании пористой заготовки из порошковой шихты заданного состава, её последующем кратковременном нагреве и допрессовки динамическими нагрузками. Этот метод позволяет получать практически беспористые изделия точных размеров и с высокой чистотой поверхности.

При вибрационном формовании используется эффект благоприятного воздействия вибрации на процесс уплотнения, что связано с разрушением межчастичных связей и улучшением взаимоподвижности частиц. В результате достигается плотная укладка частиц при меньших давлениях прессования и обеспечивается высокая равномерность распределения плотности по объёму заготовки. Энергия вибрирования расходуется на преодоление инерции и упругого сопротивления вибрирующей системы и на преодоление инерции, сил трения и сцепления уплотняемого порошка. В случае уплотнения порошка небольшой массы основную роль играют инерция и упругие свойства системы. Поэтому для обеспечения наиболее выгодного режима уплотнения следует выбирать частоту вибрирования ближе к собственной частоте колебаний системы. При уплотнении больших масс порошка основную роль будут играть собственная частота колебаний слоя частиц и силы связи между ними. Поэтому частоту вибрирования выбирают ближе к резонансной или по отношению к вибрирующей системе, или по отношению к уплотняемой массе порошка. При правильном выборе частоты, ускорения и амплитуды вибрирования плотность и прочность прессовок выше, чем при статическом прессовании.

Во всех случаях, требующих высоких давлений при статическом прессовании применение вибрирования будет выгодным. Наиболее эффективно применение вибрации при прессовании порошков непластичных и хрупких металлов, к которым высокие статические давления не могут быть приложены из - за происходящего при этом разрушения брикетов.

2.7 Спекание порошковых материалов и изделий

Прессование не обеспечивает механической прочности прессовок, и они могут разрушаться даже при незначительных усилиях. Для повышения механических свойств и придания порошковым изделиям необходимых физико-химических свойств заготовки подвергаются спеканию.

Спекание порошковых материалов -- это тепловая обработка свободно насыпанного порошка или прессованных заготовок при 0,7... 0,9 абсолютной температуры плавления металла порошка в однокомпонентной системе или ниже температуры плавления основного металла в многокомпонентной системе порошков. Спекание любой системы состоит из нагрева изделий до заданной температуры, изотермической выдержки при этой температуре и охлаждения до комнатных температур. При спекании порошковых материалов происходит удаление газов и адсорбированных на поверхности частиц; возгонка различных примесей, снятие остаточных напряжений на контактных участках между частицами и в самих частицах, восстановление оксидных пленок, растворение или коагуляция, перестройка поверхностного слоя в результате диффузии и переноса металла в виде пара с одних мест в другие. Контакт между частицами, из оксидного в основной своей массе превращается в металлический, а за счет сращивания частиц происходит его рост, изменение соотношения между лорами и объемом металла в сторону уменьшения объема пор.

В металловедении под термином «спекание» понимают, одну из важнейших технологических операций порошковой металлургии, при которой в результате диффузионных, рекристаллизационных и других процессов при термической обработке из свободно насыпанного или уплотненного конгломерата частиц порошка создается единое тело, обладающее определенной структурой и свойствами.

С позиции физической химий твердого тела спекание представляет собой сложный многоступенчатый самопроизвольный кинетический процесс приближения конгломерата частиц к/термодинамическому равновесному состоянию. Термодинамическая неустойчивость порошков обусловливается большой развитостью свободной поверхности частиц, наличием микроискажений кристаллической структуры металла частиц (микропор, дислокаций, вакансий, дефектов упаковки).

3. Области применения пористых порошковых материалов

К группе пористых относятся антифрикционные, фрикционные материалы, фильтры и так называемые «потеющие» материалы.

Бронзовые фильтры обычно изготавливаются из порошков со сферической формой частиц, полученных путем распыления жидкого металла. Температура спекания составляет 800 - 900°С. Продолжительность спекания от 30 минут до 1 часа.

Бронзовые фильтры (Рисунок 3.1) с размером частиц порошка 50 - 130 мкм используются для грубой очистки, 2 - 30 мкм для тонкой. Бронзовые фильтры находят широкое применение в промышленности для очистки жидкого горючего в дизелях и реактивных двигателях, смазочных материалов и сжатых газов от твердых примесей размерами 5 - 200 мкм, а также для очистки разбавленных кислот и щелочей, расплавленного парафина.

Рисунок 3.1 Пористые изделия спеченные из порошкового материала

Пористые материалы, изготавливаемые из порошков электролитического и карбонильного никеля методом прессования и последующего спекания при температуре 1000 - 1100 °С, предназначены для работы в качестве фильтров и пористых электродов. Последние находят широкое применение в электрохимии и катализе. Так, щелочные аккумуляторы, электроды которых представляют собой высокопористые никелевые пластины, по сравнению с обычными аккумуляторами имеют меньший вес и габариты.

Большое применение находят фильтры из нержавеющей стали, которые обладают более высокой коррозионной стойкостью и значительно дешевле чистого никеля. Для изготовления фильтров применяются порошки из нержавеющих сталей Х17Н2, Х18Н9, Х30 и другие. Технология их изготовления: прессование или прокатка с последующим спеканием при температуре 1200 - 1250 °С в течение 2 - 3 часов. Фильтры из нержавеющих сталей показали хорошие результаты при очистке жидкого литья, горячего доменного и мартеновского газов. Как преграда для распространения пламени они находят применение в автогенной технике, в производстве ацетилена, в газопламенной обработке металлов, в резервуарах низкокипящих и взрывоопасных жидкостей.

Применение пористых материалов для борьбы с обледенением самолетов позволяет снизить на 50 % расход антифриза. Использование пористого титана в различных отраслях техники обусловлено рядом его ценных свойств, главными из которых являются высокая коррозионная стойкость во многих агрессивных средах и высокая удельная прочность. Пористые титановые материалы получают из порошков с размером частиц менее 60 мкм с наполнителем, а также из электролитического порошка с размером частиц до 1 мм без наполнителя. Такие изделия спекают в специальной атмосфере при температуре 950 - 1150 °С в течение 1,5 - 2 часов. Пористый титан стоек в азотной кислоте и щелочных растворах, обеспечивает тонкость очистки 5 мкм и менее. Пористое охлаждение - один из эффективных способов охлаждения высокотемпературных узлов и механизмов.

Испарительное охлаждение предусматривает принудительное пропускание жидкости через пористую среду. В этом случае тепло, выделяющееся на поверхности пористого тела, поглощается и рассеивается испарительным охлаждающим устройством. Установлено, что охлаждение испарением более эффективно, чем конвективное или пленочное в равнозначных системах. Так, применение сопловых и рабочих турбинных лопаток позволило повысить температуру рабочего газа с 840 °С до 1200 °С и увеличить снимаемую мощность на 10 %.

Возможности использования пористого материала для контроля температуры на поверхности практически не ограничены. Детали из пористого металла могут использоваться для создания условия локального нагрева и одновременно они могут быть использованы для охлаждения локального перегрева механизмов.

Весьма перспективно применение в промышленности тепловых труб, обеспечивающих выравнивание температурного поля в различных аппаратах и установках и изотермические условия обработки тех или иных материалов. Так, использование низкотемпературных тепловых труб в электрических машинах для охлаждения роторов и статоров двигателей, генераторов, а также обмоток трансформаторов позволило увеличить их мощность на 30 - 50 %. Успешно используются тепловые трубы для охлаждения высоковольтных выключателей большой мощности. Тепловые трубы и паровые камеры имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными элементами передачи тепла, например, циркуляционными теплообменниками: они не имеют подвижных деталей, бесшумны, не требуют расхода энергии на перекачку теплоносителя из зоны конденсации в зону испарения, обладают малым термическим сопротивлением, по сравнению с металлическими стержнями таких же геометрических параметров, и имеют небольшой вес.

4. Перспективы пористых порошковых материалов

На сегодняшний взгляд, в ближайшем будущем одними из востребованных материалов в промышленности будут являться наноразмерные порошки, как однокомпонентные, так и многокомпонентные.

Проблема создания изделий из нанопорошков будет остро стоять перед исследователями и разработчиками в области создания пористых порошковых материалов. Поэтому, уже сегодня в отделении пористых материалов в рамках программы «Наноматериалы и нанотехнологии» проводятся работы по классификации наноразмерных порошков, разработке процессов создания пористых материалов из наноразмерных порошков, методов получения металлических мембран, а так же пористых керамических материалов с наноразмерными порами.

Дальнейший прогресс в области производства порошковых пористых материалов будет также связан с разработкой и использованием нового поколения керамических и композиционных материалов. Необходимо также отметить, что пористые порошковые материалы, разрабатываемые в настоящее время, безусловно, будут и в будущем востребованы промышленностью, так как другими методами создать такие материалы очень сложно или практически невозможно. Но самое перспективное в области порошковой металлургии - это сам пористый порошковый материал, который представляет собой смесь какого - либо материала (вещества) с порами (пустотами), причем эксплуатационные характеристики таких смесей изменяются в очень широких пределах в зависимости от их объемного соотношения и пространственного расположения. Иногда (ячеистые материалы), чем больший объем занимают пустоты (поры), тем выше их характеристики, то есть чем меньше материала, тем изделие эффективнее. Таким образом, получая такие изделия мы снижаем материальные затраты. Поэтому, в будущем будут создаваться новые технологии получения пористых материалов на основе металлических, керамических и композиционных материалов с сверхвысокими свойствами, например, механической прочностью.

Заключение

Применение порошковой металлургии, ее развитие имеет важное значение для всего мира. Передовые страны мира такие как США и Япония ежегодно инвестируют и расширяют эту отрасль промышленности.

Не последнее место занимает порошковая металлургия и в нашей стране. Она представленна такими предприятиями как «Уральский завод твердых сплавов», «Краснопахорский завод композиционных изделий из металлических порошков» и многими другими. Неоспоримым доказательством полезности использования порошковых материалов является то, что в период кризиса эти предприятия не только выживают, но и расширяют производство.

Мы сейчас стоим на пороге XXI века. И нам необходимо выбрать те технологии, которые мы возьмем с собой в будущее. Несомненно, что порошковая металлургия будет стоять одной из первых в этом списке. В условиях глобального роста населения, когда на свет появился шестимиллиардный житель планеты порошковая металлургия, которая дает наибольший экономический эффект при достаточно массовом производстве, по моему мнению, должна получить мощный толчок в развитии.

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.

Все это свидетельствует о том, что идеи заложенные в начале XIX века в работах П.Г. Соболевского, найдут достойное воплощение в веке XXI.

Список использованной литературы

1. Бальшин М.Ю., Кипарисов С.С. Металлургия; М. 1978.

2. Раковский B.C., Саклинский В.В. Порошковая металлургия в машиностроении. Машиностроение; М. 1973.

3. Либенсон Г.А. Основы порошковой металлургии. Металлургия; М. 1975.

4. Федорченко И.М., Андриевский Р.А. Основы порошковой металлургии; К. 1961.

5. Бальшин М.Ю. Научные основы порошковой металлургии и металлургии волокна; М. 1972.

6. Еськов Б.Б., Лагунов Д.В., Лагунов В.С. Пористые материалы; Воронеж, 1995.

7. Вязников Н.Ф. Ермаков С.С. Металлокерамические материалы и изделия, Л. 1967.

Размещено на Allbest.ru

...