Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Карагандинский государственный технический университет

Утверждаю

Первый проректор

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ

по дисциплине «Технология производства порошковых и композиционных материалов»

2007 г

1. Рабочая учебная программа

1.1 Сведения о преподавателе и контактная информация

Кафедра МЛП и КМ находится в гл. корпусе КарГТУ (г. Караганда, Б.Мира 56), аудитория 313, контактный телефон 56-75-96 доб.124

1.2 Трудоемкость дисциплины

Семестр	Количество кредитов	Вид занятий	Количество часов СРС	Общее количество часов	Форма контроля
		количество контактных часов	Количество часов СРСП	всего часов
		лекции	Практичес-кие занятия	Лаборатор-ные занятия
6	3	30	-	15	45	90	45	135	экзамен

1.3 Характеристика дисциплины

Дисциплина «Технология производства порошковых и композиционных материалов» является вузовской компонентой цикла профильных дисциплин. В программе курса изучаются основные теоретические вопросы технологии получения порошковых и композиционных материалов; а именно, свойства, способы получения порошков, формообразования изделий из порошков, процессы спекания, термической, химико-термической и термо-механической обработки, а также основные тенденции развития порошковой металлургии в области создания новых металлических и композиционных материалов. Для успешного освоения данного курса необходимо знание таких дисциплин, как «Физическое материаловедение», «Физические свойства материалов», «Механические свойства материалов», «Физическая и коллоидная химия», «Теория и технология термической обработки».

1.4 Цель дисциплины

Целью изучения данной дисциплины является:

изучение теоретических основ технологии получения порошковых и компози-ционных изделий для обеспечения рационального применения материалов с учетом технологической и экономической целесообразности; изучение свойств и структуры материалов, классификации, маркировки и областей применения.

1.5 Задачи дисциплины

Задачи дисциплины следующие:

знать физические, химические и технологические свойства порошков и методы их получения; технологический процесс производства изделий с целью создания материалов с высокими механическими свойствами.

В результате изучения данной дисциплины студенты должны:

иметь представление об:

основных тенденциях развития порошковой металлургии в области создания новых материалов со специальными свойствами для машиностроения и приборостроения;

знать:

основные методы получения порошковых конструкционных материалов и различных композиционных материалов;

уметь:

планировать эксперимент, выбирать рациональные методы получения новых материалов с учетом экономичной и высокопроизводительной техно-логии;

приобрести практические навыки:

выбора технологического процесса производства порошковых и компо-зиционных материалов для получения комплекса необходимых физико-механи-ческих свойств при одновременном достижении высокой технико-экономи-ческой эффективности.

1.6 Пререквизиты

Для изучения данной дисциплины необходимо усвоение следующих дисциплин (с указанием разделов (тем)):

Дисциплина	Наименование разделов (тем)
1 Химия.	Периодическая таблица Менделеева. Типы химических связей.
	Кинетика химических реакций.
	Процессы диффузии. Законы Фика.
	Энергия Гиббса, энергия Гельмгольца
2 Физика.	Физика твердого тела.
	Строение и физические свойства металлов.
	Электромагнетизм.
	Механика.
3 Механические свойства металлов.	Методы определения механических свойств.
	Единицы измерения различных механических свойств.
	Виды дефектов кристаллического строения.
	Влияние дефектов на свойства сплавов.
4 Метрология, стандар-тизация и сертификация.	Контроль качества продукции.
	Государственные стандарты.

1.7 Постреквизиты

Знания, полученные при изучении дисциплины «Технология производства порошковых и композиционных материалов», используются при освоении следующих дисциплин:

1. Технологические процессы производства материалов.

2. Технологическое оборудование производства материалов.

3. Новые материалы.

4. Научные основы выбора материалов.

1.8 Содержание дисциплины

Содержание дисциплины по видам занятий и их трудоемкость

Наименование раздела, (темы)	Трудоемкость по видам занятий, ч.
	лекции	практические	лабораторные	СРСП	СРС
1 Предмет и содержание курса. Развитие порошковой металлургии. Химические и физические свойства порошков.	2		2	4	4
2 Технологические свойства порошков. Методы получения металлических порошков: физико-химические и механические.	4		2	4	4
3 Технология получения заготовок. Формообразование порошковых изде-лий прессованием. Прокатка порошков. Выдавливание.	3		4	4	4
4 Спекание спрессованных заготовок. Физико-химические основы процесса спекания. Влияние температуры, вре-мени, среды спекания и давления прес-сования на процесс спекания. Спекание однокомпонентных и многокомпонент-ных порошковых шихт. Спекание в присутствии жидкой фазы.	4		-	4	4
5 Термическая и химико-термическая обработка порошковых изделий. Изуче-ние структуры порошковых материа-лов.	2		2	4	4
6 Конструкционные порошковые материалы, их классификация. Проч-ность и пористость конструкционных материалов. Основные принципы орга-низации металлокерамического произ-водства.	3		3	5	5
7 Композиционные материалы. Класси-фикация и свойства КМ. Формы напол-нителя: нуль-мерные, одномерные, дву-мерные.	3		-	5	5
8 Дисперсно-упроченные КМ. Струк-тура и свойства. Технология получения дисперсно-упрочненных КМ.	3	-	2	5	5
9 Волокнистые (армированные) компо-зиционные материалы. Структура и свойства. Технология получения волок-нистых КМ.	3		-	5	5
10 Способы изготовления волокнистых КМ: твердофазный и жидкофазный. Осаждение и напыление.	3		-	5	5
ИТОГО:	30		15	45	45

Оценка по буквенной системе	Цифровые эквиваленты буквенной оценки	Процентное содержание усвоенных знаний	Оценка по традиционной системе
А А-	4,0 3,67	95-100 90-94	Отлично
В+ В В-	3,33 3,0 2,67	85-89 80-84 75-79	Хорошо
С+ С С- D+ D	2,33 2,0 1,67 1,33 1,0	70-74 65-69 60-64 55-59 50-54	Удовлетворительно
F Z	0 0	30-49 0-29	Неудовлетворительно

Рубежный контроль проводится на 7-й и 14-й неделях обучения и складывается исходя из следующих видов контроля:

1.9 Политика и процедуры

При изучении дисциплины «Технология производства порошковых и композиционных материалов» прошу соблюдать следующие правила:

1. Не опаздывать на занятия.

2. Не пропускать занятия без уважительной причины, в случае болезни прошу представлять справку, в других случаях - объяснительную записку.

3. Отрабатывать пропущенные занятия независимо от причины пропусков.

4. Активно участвовать в учебном процессе.

5. Быть терпимыми, открытыми, откровенными и доброжелательными к сокурсникам и преподавателям.

1.10 Учебно-методическая обеспеченность дисциплины

Ф.И.О автора	Наименование учебно-методической литературы	Издательство, год издания	Количество экземпляров
			в библиотеке	на кафедре
Основная литература
1. Кипарисов С.С., Либенсон Г.А.	Порошковая металлургия.	М.: Металлургия, 1991. 432 с.	2	-
2. Степанчук А.Н. и др.	Технология порошко-вой металлургии.	К.: Выща Школа, 1989. 414 с.	4	-
3. Под ред. Арзамасова Б.Н., Мухина Г.Г.	Материаловедение.	М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1986. 383 с.	17	3
4. Балбекова Б.К.	Порошковые и компо-зиционные материа-лы.	Караганда: КарГТУ, 2005. 81 с.	35	20
5. Балбекова Б.К., Медведева И.Е., Жашкеев Е.К.	Метод. указ. к лаб. раб. по курсу «Техно-логические основы произв. порошковых и композиционных материалов»	Караганда: КарГТУ, 2005г. 47 с.
6. Балбекова Б.К., Медведева И.Е.	Метод. указ. к СРСП по курсу «Технологи-ческие основы про-изводства порошко-вых и композицион-ных материалов».	Караганда, КарГТУ, 2007. 46 с.	-	35
7. Б.Н.Бабич, Е.В. Вершинина, В.А. Глебов и др.; под ред. Ю.В.Ле-винского.	Металлические по-рошки и порошковые материалы: справоч-ник.	М.: ЭКОМЕТ, 2005. 520 с.	2	-
Дополнительная литература
8. Андриевский Р.А	Порошковое материа-ловедение.	М.: Металлур-гия, 1991. 208 с.	2	-
9. Либенсон Г.А.	Процессы порошковой металлургии.	М.: МИСИС, Т.1-2, 2002.	1	-
10. Анциферов В.Н., Бобров Г.В., Дружинин Л.К. и др.	Порошковая металлур-гия и напыленные по-крытия: Учебник для вузов.	М.: Металлур-гия, 1987. 792 с.	87	1

График выполнения и сдачи заданий по дисциплине

Вид контроля	Цель и содержание задания	Рекомендуе-мая литература	Продолжитель-ность выполнения	Форма контроля	Срок сдачи
Лаб. раб. № 1	Углубить знания по теме.	[1, 5, 10]	2 недели	текущий	2-я неделя
Отчет по СРС (темы 1)	Углубить знания по темам.	[1, 4, 7, 8]	1-3 недели	текущий	3-я неделя
Лаб. раб. № 2	Углубить знания по теме.	[1, 4, 5, 7]	4-6 недель	текущий	6-я неделя
Отчет по СРС (темы 1)	Углубить знания по темам.	[1, 4, 10]	4 недели	текущий	4-я неделя
К.р.№ 1	Контроль знаний по темам 1-2.	[1,4-7, 10], конспект лекций	1 неделя	текущий	5-я неделя
Лаб. раб. № 3	Углубить знания по теме.	[1, 5, 10]	4 недель	текущий	5-я неделя
Отчет по СРС (темы 2)	Углубить знания по темам.	[1, 4, 6, 9]	2недели	текущий	6-я неделя
Лаб. раб. № 4	Углубить знания по теме.	[1, 5, 9]	2 недели	рубежный	7 неделя
Отчет по СРС (темы 2)	Углубить знания по темам.	[1, 3, 4, 9]	7-8 недель	текущий	8-9-я недели
К.р.№ 2	Контроль знаний по темам 3-4	[1, 4-6, 9], конспект лекций	1 неделя	текущий	10 неделя
Лаб. раб. № 5	Углубить знания по теме.	[1, 4, 5, 7]	4 недели	текущий	11-неделя
Отчет по СРС (тема2)	Углубить знания по темам.	[1-4]	9 недель	текущий	12-неделя
Лаб. раб. № 6	Углубить знания по теме.	[1, 5, 8]	2 недели	текущий	12 неделя
Отчет по СРС (тема 2)	Углубить знания по теме	[1-4]	3 недели	текущий	13 неделя
Лаб. раб. № 7	Углубить знания по теме.	[1-5]	4 недели	текущий	14 неделя
К.р.№ 3	Контроль знаний по темам 5-7	[1-4, 6, 9], конспект лекций	1 неделя	рубежный	14-неделя
Реферат	Углубление знаний по теме реферата	[1-5], период.изд.	В течение семестра		14-неделя
Экзамен	Контроль знаний по курсу	Весь перечень основной и дополнительной литературы	2 контактных часа	итоговый	В период сессии

2. Развитие порошковой металлургии. Свойства порошков

Традиционно применяемые сплавы в известной мере достигли своего предела конструктивной прочности. Развитие современной техники требует создания материалов, надежно работающих в сложной комбинации силовых и температурных полей, при воздействии агрессивных сред, излучений, глубокого вакуума и высоких давлений. Эту задачу можно осуществить путем создания новых материалов, а именно, порошковых и композиционных.

Создание принципиально новых материалов возможно методами порошковой металлургии. Эти методы позволяют получать такие материалы, которые сложно или даже невозможно получать традиционными способами. К таким материалам относятся многослойные композиции, различные комбинации металлических и неметаллических компонентов, пористые материалы с широким диапазоном контролируемой пористости и сочетающих пластичность и твердость, изделия из весьма тугоплавких металлов и т.д. Порошковая металлургия дает возможность свести к минимуму отходы металла в стружку, упростить технологию изготовления деталей и снизить трудоемкость их производства.

Порошковой металлургией называют область техники, занимающейся изготовлением изделий из металлических порошков и металлоподобных соединений. Исходным материалом может быть порошок одного материала, но чаще это смесь различных металлов, а также смесь металлических порошков с порошками неметаллических материалов(C, TiO2, ZrO2, Cr2O3, MgO, SiO2).

Порошковая металлургия имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами производства металлических изделий. Основным из них является возможность получения материалов с уникальными свойствами; материалов, имеющих пористую структуру (сочетающих пластичность и твердость); сплавов, обладающих чрезвычайно высоким сопротивлением электрической эрозии.

Другие преимущества:

1. значительно меньше образуется отхода металла (7-10% вместо 40-60% при обычной технологии с применением обработки резанием);

2. число операций при изготовлении продукции также значительно меньше;

3. более рационально используются отходы: металлическая стружка, окалина прокатных и термических цехов;

4. возможно изготовление деталей из весьма тугоплавких металлов;

5. практически отсутствует необходимость дополнительной обработки полученных изделий.

Метод производства и природа соответствующего металла, сплава или металлоподобного соединения определяют химические (содержание основного металла, примесей и загрязнений, воспламеняемость и токсичность и др.), физические (форму, размер, удельную поверхность, плотность и микротвердость частиц и др.) и технологические (насыпную плотность, текучесть, прессуемость и спекаемость порошка) свойства получаемого металлического порошка. Очень часто некоторые свойства порошка одного и того же металла, определяющие применимость его для той или иной цели, существенно изменяются в зависимости от метода производства.

Химические свойства. Оценивая пригодность порошка для изготовления из него материалов и изделий, прежде всего интересуются содержанием в нем основного металла, примесей, различных механических загрязнений и газов.

Содержание основного металла в порошке или сумма основных компо-нентов сплава составляет обычно ?98-99 %. В некоторых случаях при производстве изделий с особыми свойствами применяют наиболее чистые металлические порошки.

Примеси в порошках. За исключением газофазных методов, электролиза и некоторых видов распыления жидких металлов и сплавов, режимы изготовления порошков мало способствуют рафинированию и содержание примесей в них значительно. Развитая поверхность порошков способствует адсорбции газов. Примеси могут находиться в растворенном виде (растворы внедрения и замещения в основном компоненте), в виде отдельных фаз (например, оксидов кремния; алюминия в порошках железа), а также в виде адсорбированных и окклюзированных (захваченных) газов (водорода, кислорода), паров воды, моно- и диоксида углерода. Происхождение примесей связано как с чистотой исходного сырья, так и с условиями получения и хранения порошков. С повышением дисперсности порошков содержание примесей, как правило, растет.

Воспламеняемость. Энергичное окисление порошковых материалов может сопровождаться не только изменением состава, но и горением, т.е. представлять собой быстро протекающую химическую реакцию с выделением тепла и света. Порошки А1, Мg, Тi, Fе, Та, Nb, U и другие могут энергично окисляться, горение может протекать также в азоте (Ti, Zr, Hf), хлоре и т.д. Такие порошки могут стать источником пожаров и взрывов. Воспламе-няемость (пирофорность), взрывоопасноcть порошков зависят от природы вещества, дисперсности и формы частиц, концентрации пылегазовых смесей, окисленности и многих других факторов.

Токсичность. Аэрозоли металлов оказывают токсическое действие на организм человека. Аспирация и обеспыливание воздуха при производстве порошков -- необходимые элементы обеспечения безопасных для здоровья условий работы. Кроме того, снижение концентрации пыли металлов и тугоплавких соединений в воздушной среде производственных и исследо-вательских помещений понижает пожаро- и взрывоопасность.

Физические свойства.

Размер порошков. Этот параметр является одним из важнейших характеристик порошков, т.к. именно он во многом определяет поведение порошков при прессовании и спекании, пористости, размере зерна, а следовательно, и свойств спеченных материалов.

Для железных порошков дисперсность обычно характеризуется четырьмя классами: крупным (больше 450 мкм), средним (160-450 мкм), мелким (меньше 160 мкм) и весьма мелким (меньше 56 мкм). В производстве тугоплавких металлов и твердых сплавов к грубозернистым порошкам относят порошки с размером частиц больше 10 мкм.

Монодисперсные порошки встречаются крайне редко. Практически всегда порошки представляют собой полидисперсные смеси, характе-ризующиеся гранулометрическим составом (распределение частиц по разме-рам). Определение гранулометрического состава (гранулометрический или дисперсионный анализ) может быть выполнен несколькими методами:

1. ситовым анализом для определения частиц размером до 40 мкм;

2. седиментационным анализом (для определения частиц размером от ~ 50 мкм до ~ 1 мкм);

3. кондуктометрическим анализом (250-0,5 мкм);

4. микроскопическим анализом (100-1 мкм -- оптической микроскопией, 1-0,001 мкм -- электронной микроскопией).

Морфология порошков. Качественное многообразие морфологических типов порошковых частиц может быть условно сведено к следующим основным разновидностям, зависящим от метода и условий изготовления:

- сферические или округлые (распыление и оплавление, грануляция, осаждение из газовой фазы, сушка распылением, коллоидные методы формообразования);

- губчатые (восстановление, синтез, разложение);

- дендритные (электролиз);

- осколочные (измельчение хрупких материалов);

- чешуйчатые или тарельчатые (измельчение пластичных материалов);

- волокнистые или лепестковые (осаждение из газовой фазы);

- правильноограненные (осаждение из газовой фазы, кристаллизация из растворов).

Форма и размеры порошковых частиц определяются методами и режимами получения. Их можно варьировать в широких пределах. Эти характеристики оказывают решающее влияние на ход технологических процессов и в определенной степени наследуются в структуре порошковых материалов.

Удельная поверхность порошка представляет собой сумму наружных поверхностей всех частиц, составляющих единицу его массы или объема. Удельная поверхность порошка зависит от размера и формы частиц, а также степени развитости их поверхности, возрастая с уменьшением поверхности, усложнением формы и увеличением шероховатости поверхности частиц. Это важная характеристика порошка, во многом определяющая его поведение при последующих операциях формования и спекания.

Наиболее часто для определения удельной поверхности порошка используют методы измерения его газопроницаемости и адсорбции.

Плотность частицы порошка зависит от природы ее материала, размера, совершенства внутренней макро- и микроструктуры, химической чистоты и т.д. Для сплавов плотность частиц зависит также от равномерности распределения в них легирующих элементов и фаз.

Микротвердость частиц порошка позволяет косвенно оценивать их способность к деформированию. Ее величина зависит от природы и химической чистоты металла, а также условий предварительной обработки порошка, изменяющей структуру его частиц. Деформируемость металла имеет важное значение для оценки технологических свойств порошков, главным образом их прессуемости.

Контрольные задания для СРС (тема 1) [1, 4, 10]

1. Изучить возможные факторы, влияющие на газосодержание порошков.

2. Изучить методику определения пикнометрической плотности частиц порошка.

3. Технологические свойства порошков. Методы получения металлических порошков

Насыпная плотность. Под этой характеристикой понимают массу еди-ницы объема свободно насыпанного порошка. Насыпная плотность зависит от формы и размера частиц, состояния их поверхности, фракционного соотно-шения и от плотности самого материала. В зависимости от этих и других факторов значения насыпной плотности могут колебаться в довольно широких пределах. Разичают насыпную плотность фн и относительную насыпную плотность нн, г/см3.

Текучесть -- способность порошка заполнять форму. Текучесть ухудшается с уменьшением размеров частиц порошка и повышением влажнос-ти, а также введением смазки, графита. Количественной оценкой текучести является скорость вытекания порошка через отверстие диаметром 1,5-4,0 мм в секунду (для железных порошков диаметр составляет 2,5 мм).

Как и насыпная плотность, текучесть существенно зависит от формы и размеров порошковых частиц. Текучесть измеряется временем (с), необходимым для вытекания 50 г порошка.

Для повышения текучести и насыпной плотности в порошковой технологии используют операции гранулирования, усреднения, отжига.

Прессуемость характеризуется способностью порошка уплотняться под действием внешней нагрузки и прочностью сцепления частиц после прессования. Прессуемость порошка зависит от пластичности материала частиц, их размеров и формы и повышается с введением в его состав поверхностно-активных веществ.

Спекаемость. Заключительная операция в технологии порошковой металлургии. Спекание -- нагрев и выдержка порошковой формовки при температуре ниже точки плавления основного компонента. В процессе спекания происходит превращение спрессованного (сформованного) из порошков брикета в изделие (заготовку) со свойствами, приближающимися к свойствам компактного материала. Под спекаемостью также понимают прочность сцепления частиц в результате термической обработки прессованных заготовок.

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.

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, электролиз и термическая диссоциация карбонилов.

Более универсальными являются физико-химические методы, хотя в практике порошковой металлургии четкой границы между группами методов нет. Часто в технологическую схему производства порошка включают отдельные элементы (операции) как механических, так и физико-химических методов их получения. Выбирая метод получения металлического порошка, учитывают прежде всего, кроме его свойств (твердости, хрупкости или пластичности, температуры плавления), необходимость обеспечения требований, предъявляемых к конечной продукции из него, а также экономическую оценку соответствующих технологических процессов: себестоимость порошка, размер капиталовложений, стоимость дальнейшей переработки порошка в изделия.

Среди механических методов получения порошков путем измельчения металлов наибольшее распространение получили два: а) обработка металлов резанием с получением мелких стружек и опилок; б) дробление металла в мельницах.

Обработка металлов резанием с целью получения порошков для порошковой металлургии невыгодна и применяется лишь в исключительных случаях (получение порошка магния фрезерованием). Однако образующиеся при обработке металлов резанием отходы в виде мелких стружек и опилок целесообразно использовать для дальнейшего измельчения.

Измельчение в мельницах целесообразно применять при обработке хрупких металлов и сплавов: Sb, Вi, сплавов Аl-Мg, ферросплавов и других, для превращения в порошок губчатых осадков металлов, полученных электролизом или восстановлением газами. На разных предприятиях для размола металлических порошков применяют различные мельницы: шаровые, вибрационные, вихревые, планетарные центробежные.

Распыление и грануляция жидких металлов и сплавов широко применяются для получения порошков почти из всех металлов и сплавов: Аl, Рb, Fе, Zn, сталей, ферросплавов.

Сущность метода распыления состоит в раздроблении струи жидкого металла на мелкие капли за счет кинетической энергии потока сжатого газа или воды, пересекающего поток расплавленного металла.

МЕТАЛЛ

Жидкий металл заливается в предварительно подогретый (до

1250-1300 °С) металлоприемник. Через отверстие в

нижней части тигля металл поступает в камеру распы-

ления. Образующиеся частицы для предохранения от

взаимного их спекания во время полета охлаждаются

водой. Скапливающийся на наклонном днище порошок

выдается в приемный бункер.

Производительность установки и качество металлического порошка зависят как от свойств жидкого металла (поверхностного натяжения, плотности, вязкости), так и от условий распыления: скоростей потоков металла и газа. Регулируя процесс с помощью этих параметров, можно получать порошки различной крупности и формы частиц.

Получать порошки из жидких металлов можно также на установке центробежного распыления (рис. 2). Струя металла из тигля поступает в камеру распыления, где и раздробляется ударами лопаток вращающейся крыльчатки на мелкие частицы, которые падают затем в бункер с водой. Главный регулирующий параметр -- скорость вращения крыльчатки. При n=1400-1600 об/мин основное количество частиц имеет крупность 0,10 мм.

В некоторых случаях порошки получают методом грануляции -- расплавленный металл тонкой струей выливают в воду. Таким способом получают грубые порошки железа, меди, серебра, свинца, олова, цинка.

Полученные распылением и грануляцией порошки подвергают восстановительному обжигу, в результате которого не только удаляется кислород, но и улучшаются технологические свойства порошков: прессуемость, спекаемость, а также выравнивается гранулометрический состав за счет разрушения крупных частиц и спекания мелких.

Одним из самых распространенных физико-химических методов получения металлических порошков является восстановление металлов из частиц оксидов. В качестве восстановителей используют:

- газы: СО, Н2 и их смеси;

- твердый углерод: сажа, антрацит, угольный штыб;

- твердые металлы Nа, Са, Мg или их гидридные или карбонильные соединения: СаН2, Fе(СО)5.

Рисунок 2 - Схема установки для центробежного распыления жидкого металла

Исходным сырьем для получения железных порошков восстановлением служат так называемые суперконцентраты, состоящие практически только из оксида железа или окалина, образующаяся как отход при нагревании слитков в прокатных и термических цехах. Основным требованием к таким материалам является минимальное содержание неметаллических примесей: Аl2О3, СаО, SiO2, МgО - не более 0,3 %.

Наиболее часто восстановление ведут оксидом углерода и твердым углеродом. Однако получаемые при этом порошки железа содержат определенное количество растворенного углерода. В случае необходимости получения особо чистого железа восстановление ведут с помощью водорода.

Мелкие частички железа, восстановленные при низких температурах (до 600 °С), «пирофорны», то есть способные к интенсивному окислению на воздухе даже после охлаждения. Для предупреждения этого явления необходимо принимать специальные меры. В ходе восстановления при высоких температурах (800-1000 °С) частички железа спекаются. В этом случае полученные брикеты железа размалываются в мельницах.

Металлотермический способ восстановления широко применяется при получении ряда редких и легких металлов: Тi, Zr, Та, Ni, U, Ве, Rb, Сs, Мg, Ва. Как уже отмечалось, в качестве восстановителя может быть такой металл, у которого сродство к кислороду больше, чем у восстанавливаемого. Кроме того, необходимо выполнение еще ряда условий:

- металл-восстановитель должен обеспечить наиболее полное восстановление при возможно меньшем подводе тепла извне;

- образующийся шлак, а также избыток восстановителя должны отделяться от получаемого металла;

- восстановитель должен быть высокой чистоты, чтобы избежать загрязнения получаемого металла примесями;

- восстановитель должен мало растворяться в получаемом металле и не образовывать с ним химических соединений;

- восстановитель должен быть относительно дешевым и недефицитным.

Производство металлических порошков методом электролиза водных растворов в настоящее время успешно конкурирует с другими методами. Для ряда областей использования металлических порошков, особенно таких, как производство магнитных материалов, самосмазывающихся пористых подшипников применяются порошки, полученные методом электролиза. Такие порошки отличаются высокой чистотой, хорошей прессуемостью и спекаемостью. Этот метод экономически эффективен при любых масштабах производства. В настоящее время методом электролиза получают порошки меди, серебра, железа, цинка, никеля, кадмия, свинца, сурьмы, олова, некоторых редких металлов. Регулируя температуру, состав электролитов, плотность тока и другие параметры, можно получать на катоде не сплошной, а рыхлый осадок, который хорошо измельчается и дает порошки высокого качества.

Рекомендуемая литература:

1. [1] стр.262-270, [4] стр.7-8.

2. [1] стр.16-19, [7] стр.145-146.

3. [4] стр.10-13.

Контрольные задания для СРС (тема 2) [1, 4, 7]

1. Разобрать методы восстановления железных порошков.

2. Разобрать газофазный способ получения порошков алюминия, магния и др. и сплавов на их основе.

4. Технология получения заготовок

Технологический процесс производства изделий методом порошковой металлургии состоит из следующих основных операций:

Получение металлических порошков или смеси порошков (подготовительные операции)

Формовка (прессование, прокатка, выдавливание)

Спекание

Окончательная обработка

(термообработка, уплотняющее обжатие, калибровка и др.)

Подготовительные операции. Процесс приготовления смеси состоит из классификации порошков по размерам частиц, смешивания и предварительной обработки.

Порошки с размерами частиц 50 мкм и больше разделяют по группам просеиванием на ситах, а более мелкие порошки -- воздушной сепарацией. В металлические порошки вводят технологические присадки различного назначения: пластификаторы (парафин, стеарин, олеиновую кислоту и др.), облегчающие процесс прессования и получения заготовки высокого качества; легкоплавкие присадки, улучшающие процесс спекания, и различные летучие вещества для получения деталей с заданной пористостью. Для повышения текучести порошок иногда предварительно гранулируют. Подготовленные порошки смешивают в шаровых, барабанных мельницах и других смешивающих устройствах.

Предварительную механическую или термическую обработку (например, отжиг) применяют для повышения технологических свойств порошков.

Формообразование заготовок. Заготовки и детали из металлических порошков формообразуют прессованием (холодное, горячее, гидростатическое) и прокаткой.

Холодное прессование. В пресс-форму 2 засыпают определенное количество подготовленного порошка 3 и прессуют пуансоном 1 (рис. 3, а). В процессе прессования увеличивается контакт между частицами, уменьшается пористость, деформируются или разрушаются отдельные частицы. Прочность получаемой заготовки обеспечивается силами механического сцепления частиц порошка, электростатическими силами притяжения и трения. С увеличением давления прессования прочность возрастает. Давление распределяется неравномерно по высоте прессуемой заготовки из-за влияния сил трения порошка о стенки пресс-формы. Это является причиной получения заготовок с различной прочностью и пористостью по высоте. В зависимости от габаритных размеров и сложности прессуемых заготовок применяют одно- и двустороннее прессование.

Рисунок 3 - Схемы холодного прессования:

Односторонним прессованием (рис. 3, а) изготовляют заготовки простой формы с отношением высоты к диаметру меньше единицы и заготовки типа втулок с отношением диаметра к толщине стенки меньше трех, вследствие чего обеспечивается равномерная плотность получаемых заготовок. Двусторонним прессованием (рис. 3, б) получают заготовки сложной формы, при этом требуемое давление для получения равномерной плотности уменьшается на 30-40 %.

Горячее прессование. При таком прессовании технологически совмещаются процессы формообразования и спекания заготовки с целью получения готовой детали. Горячим прессованием получают детали из твердых сплавов и специальных жаропрочных материалов. Изготовляемые детали характеризуются высокой прочностью, плотностью и однородностью материала. При горячем прессовании применяют графитовые пресс-формы. Высокая температура порошка позволяет значительно уменьшить необходимое давление. Горячее прессование имеет и существенные недостатки: низкую производительность, малую стойкость пресс-форм (4-7 прессовок), необходимость проведения процессов в среде защитных газов, которые ограничивают применение данного способа.

Гидростатическое прессование. Это прессование применяют для получения металлокерамических заготовок, к которым не предъявляют высоких требований по точности. Сущность процесса заключается в том, что порошок 3, заключенный в эластическую резиновую или металлическую оболочку 2, подвергают равномерному и всестороннему обжатию в специальных герметизированных камерах 1 (рис. 4). Давление жидкости достигает 3000 MПа, что обеспечивает получение заготовок высокой прочности и плотности. При гидростатическом прессовании отпадает необходимость в применении дорогостоящих пресс-форм. Габаритные размеры изготовляемых заготовок зависят от конструкции герметизированной камеры.

Рисунок 4 - Схема гидростатического прессования

Прокатка. Этот способ - один из наиболее производительных и перспективных способов переработки металлокерамических материалов. Порошок непрерывно поступает из бункера 1 в зазор между валками (рис. 5, а). При вращении валков 3 происходит обжатие и вытяжка порошка 2 в ленту или полосу 4 определенной толщины. Процесс прокатки может быть совмещен со спеканием и окончательной обработкой получаемых заготовок. В этом случае лента проходит через проходную печь для спекания, а затем поступает на прокатку, обеспечивающую заданную ее толщину.

Прокаткой получают ленты из различных металлокерамических материалов (пористых, твердосплавных, фрикционных и др.). За счет применения бункеров с перегородкой (рис. 5, б) изготовляют ленты из различных материалов (двухслойные).

Рисунок 5 - Схема прокатки порошков

Прокаткой из металлических порошков изготовляют ленты толщиной 0,02-3,0 мм и шириной до 300 мм. Применение валков определенной формы позволяет получить прутки различного профиля, в том числе и проволоку диаметром от 0,25 мм до нескольких миллиметров.

Выдавливание. Этим способом изготовляют прутки, трубы и профили различного сечения. Процесс получения заготовок заключается в выдавливании порошка через комбинированное отверстие пресс-формы. В порошок добавляют пластификатор до 10-12 % от массы порошка, улучшающий процесс соединения частиц и уменьшающий трение порошка о стенки пресс-формы. Профиль изготовляемой детали зависит от формы калиброванного отверстия пресс-формы. Полые профили выполняют с применением рассекателя. Металлокерамические профили получают выдавливанием на гидравлических и механических прессах.

Рекомендуемая литература:

1. [1] стр. 273-279, [6] стр.17-21.

2. [4] стр.14-18, [10] стр.220-229.

3. [1] стр.321-324.

Контрольные задания для СРС (тема 3) [1, 4, 6, 10]

1. Вычертите диаграмму прессования в логарифмических координатах и проанализируйте ее.

2. Нарисуйте простейшую схему пресс-формы и назовите ее детали.

3. Описать факторы, способствующие появлению брака при прессовании.

5. Спекание спрессованных заготовок

Спекание проводят для повышения прочности предварительно полученных заготовок прессованием или прокаткой.

Процессы спекания можно разделить на два основных вида:

- спекание однокомпонентных систем;

- спекание многокомпонентных систем.

В первом случае спекание происходит за счет взаимодействия частиц в твердом состоянии, причем у всех частиц одинаковый химический состав (спекание порошков чистых металлов -- железа, никеля, меди, а также сплавов).

Спекание второго вида относится к системам, которые состоят из частиц различного химического состава. При спекании в этом случае возможно взаимодействие частиц либо только в твердой фазе (например, бронзографита Cu+Sn+графит), либо с образованием жидкой фазы (типичный пример -- металлокерамический твердый сплав WC-Co).

В процессе спекания вследствие температурной подвижности атомов порошков одновременно протекают такие процессы, как диффузия, восстановление поверхностных окислов, рекристаллизация (собирательная рекристаллизация - рост частиц) и др.

Механизм спекания обусловлен главным образом миграцией вакансий, прямым обменом атомов местами, перемещением атомов по междоузлиям и другими явлениями.

Температура спекания обычно составляет 0,6-0,9 температуры плавления порошка однокомпонентной системы или ниже температуры плавления основного материала для порошков, в состав которых входит несколько компонентов.

Процесс спекания рекомендуется проводить в три этапа:

I - нагрев до температуры 150-200 °С (удаление влаги). Идет активное уплотнение и наращивание прочности материала;

II - нагрев до 0,5 температуры спекания (снятие упругих напряжений и активное сцепление частиц). Стадия малоактивной усадки;

III - окончательный нагрев до температуры спекания. Резкое затухание процесса главным образом за счет внутреннего давления газов, находящихся в замкнутых порах.

Время выдержки после достижения температуры спекания по всему сечению составляет 30-90 мин. Увеличение времени и температуры спекания до определенных значений приводит к увеличению прочности и плотности в результате активизации процесса образования контактных поверхностей. Превышение указанных технологических параметров может привести к снижению прочности за счет роста зерен кристаллизации.

Процесс спекания можно искусственно активизировать, т.е. получить необходимую плотность изделия за более короткое время или при более низкой температуре. Наиболее распространенными методами активизации процессов спекания являются следующие:

- спекание с предварительным окислением;

- спекание в парах галогенидов;

- спекание под воздействием ультразвука;

- циклическое спекание.

Для спекания используют электрические печи сопротивления или печи с индукционным нагревом. Для предотвращения окисления спекают в нейтральных или защитных средах, а для повышения плотности и прочности получаемые заготовки повторно прессуют и спекают.

Спекаемый мелкий материал представляет собой термодинамически неустойчивую систему с большим запасом свободной энергии, обусловленным высокой удельной поверхностью. Стремление системы уменьшить свою свободную энергию путем сокращения удельной поверхности в результате объединения частиц реализуется при повышении температурного уровня. Атомы или ионы в узлах кристаллических решеток получают настолько большую энергию, что способны преодолеть внутренние силы и переместиться в кристаллическую решетку соседней частицы. В результате взаимной диффузии происходит срастание поверхностей соприкасающихся зерен. Температура начала такого процесса определяется прочностью кристаллической решетки металла и составляет примерно 0.4 Т пл.

На начальном этапе спекания (рис. 6, а) происходит срастание частичек в точке контакта. На следующем этапе (рис. 1, б) прочность сцепления зерен возрастает в результате увеличения поверхности контакта за счет переноса туда некоторого количества вещества путем поверхностной и объемной диффузии. При этом промежутки между частичками, имевшие вначале неправильную форму и сообщавшиеся между собой, округляются и, наконец, могут превратиться в замкнутые поры (рис. 6, в).

Температура спекания прессованных изделий составляет примерно 0,74·ТПЛ. Так, для железных порошков это 1100-12000С, для медных 800-9000С, молибденовых 2100-23000С.

Рис.6 - Схема процесса твердофазного спекания мелкодисперсных частиц

Поскольку при спекании частичек происходит их сближение, то в целом процесс спекания сопровождается усадкой - уменьшением размеров образца. Относительную усадку образцов ?l/l часто используют в качестве индикатора процесса спекания. Усадка образца, а, следовательно, и процесс спекания описывается следующей зависимостью:

,

где к - коэффициент, учитывающий свойства фазы,

ф - время спекания,

n - эмпирический коэффициент.

Как видно, на скорость спекания оказывают влияние два фактора: свойства твердой фазы и температура спекания. Спекание идет тем быстрее, чем меньше размер частиц, чем выше температура (рис.7) и скорость спекания падает со временем (n<1).

Рис.7 - Ход процесса твердофазного спекания во времени (а) и при различных температурах (б)

Естественно, чем больше усилие прессования, т.е. чем меньше пористость прессовки, тем медленнее идет усадка образца.

Спекание металлических порошков не сводится только к припеканию, сращиванию одних зерен с другими. Этот чисто технический процесс сопроваждается процессом собирательной рекристализации - увелечением размером зерен за счет растворения в них более мелких. При достаточных времени и температуре процесса полностью исчезает индивидуальность отдельных частичек порошка, и спеченное изделие представляет собой единый кусок металла с некоторым количеством пор.

В металлокерамическом производстве, как правило, имеют дело с многокомпонентными системами, спекание в которых имеет много общего со спеканием в однокомпонентной системе. Однако имеются существенные отличия. Ход процесса спекания для таких систем в значительной мере определяется характером диаграмм состояния их компонентов. В системах неограниченной растворимостью: Cu-Ni, Fe-Ni, Co-Ni, Cu-Au, W-Mo, Cr-Mo, Co-Ni-Cu - спеченные изделия имеют однородный состав. В системах с ограниченной растворимостью Fe-C, W-Ni-Cu, Fe-Cu, Fe-W, Ni-W, Mo-Ni-Cu, Co-Cu и смеси нерастворимых компонентов Cu-W, Cu-C, Cu-Mo образуются интерметаллические фазы. Для таких систем ход спекания и свойства изделия будут определяться компонентом, находящимся в смеси в наибольшем количестве. Влияние других компонентов сводится к изолированию частиц основного компонента от их взаимного контакта и препятствованию диффузионным процессом.

Для большего числа сплавов, получаемых из металлических порошков, процесс спекания происходит в присутствии жидкой фазы, образующейся в результате расплавления более легкоплавного компонента или за счет образования эвтектики. При этом возможно два случая:

1) спекание с исчезающей жидкой фазой в результате ее растворения в твердом компоненте, конечный период спекания происходит в твердой фазе;

2) спекание с жидкой фазой, присутствующей до конца спекания - весь период спекания протекает между ликвидусом и солидусом системы.

И в том, и в другом случае объем образующейся жидкой фазы должен быть меньше объема пор прессованного изделия. В противном случае в процессе спекания будет потеряна форма изделия.

Важное значение при жидкофазном спекании кроме поверхностного натяжения имеет степень смачивания жидкостью поверхности твердой фазы, мерой которой является величина краевого угла смачивания - чем меньше угол, тем лучше смачивание, тем быстрее идет процесс уплотнения образца.

Наиболее характерной чертой спекания с участием жидкой фазы является большая степень уплотнения по сравнению со спеканием в твердой фазе. Процесс уплотнения идет по стадиям. Сначала имеет место вязкое течение образовавшейся жидкости, приводящее к перегруппировке частиц, затем действует механизм растворения-осаждения и на заключительном этапе происходит спекание в твердой фазе с образованием жесткого скелета.

Типичным примером спекания с образованием жидкой фазы, исчезающей в процессе спекания, является производство постоянных магнитов из смесей порошков железа, никеля и алюминия.

Примерами спекания, когда образующаяся жидкая фаза не растворяет основной компонент и в ходе спекания затекает в поры между зернами, являются системы W-Co, Fe-Cu.

Спекание изделий, спрессованных из порошков, производится в среде защитного газа и в вакууме. Применение защитных атмосфер диктуется необходимостью предохранения спекаемых изделий от окисления в процессе нагрева, а также восстановления оксидных пленок, имеющихся на поверхности частиц. В качестве защитной атмосферы при спекании применяют водород, генераторный газ, диссоциированный аммиак, конвертированный природный газ, инертные газы.

Рекомендуемая литература:

1. [4] стр.18-19.

2. [1] стр.340-342.

3. [10] стр.250-285.

Контрольные задания для СРС (тема 4) [1, 4, 10]

1. Разобрать движущие силы процесса спекания.

2. Охарактеризовать процессы спекания компонентов, обладающих неограниченной взаимной растворимостью; ограниченной взаимной раство-римостью; взаимно нерастворимых. Привести примеры таких систем.

6. Термическая и химико-термическая обработка порошковых изделий

Термической обработке порошковых изделий присущи некоторые специфические особенности. Пористость повышает окисляемость порошковых материалов, вследствие чего их нагрев целесообразно производить в защитной атмосфере. Поры, заполненные газом, снижают теплопроводность, что ухудшает прокаливаемость по сравнению с компактными материалами. Для пористых деталей целесообразно применение закалки с резким охлаждением -- в струе воды или с энергичным перемешиванием для ускорения срыва паровой рубашки, затрудняющей охлаждение. После закалки детали должны подвергаться обязательной просушке до полного удаления влаги из пор.

В ряде случаев дополнительно проводят химико-термическую обработку деталей из порошковых материалов. Цементацию и нитроцементацию применяют с целью повышения твердости и износостойкости поверхностного слоя. Азотирование позволяет получать высокую твердость, усталостную прочность и коррозионную стойкость деталей.

Сульфидирование применяется с целью уменьшения коэффициента трения для повышения износостойкости и твердости железных и железо-графитовых изделий. Наиболее простым способом сульфидирования является пропитка серой путем погружения пористых изделий в расплавленную серу при 140-160 °С (выдержка 10-15 мин) с последующим нагревом до 400-500 °С в герметизированной печи с азотоводородной атмосферой.

Оксидирование обработкой паром применяется для повышения износостойкости и коррозионной стойкости порошковых деталей на железной основе. Обычно используется обработка паром при 550 °С в течение 1 ч с последующим охлаждением в масле. При взаимодействии паров воды с железом на поверхности деталей и на поверхности открытых пор образуется прочная коррозионно-стойкая пленка.

Рекомендуемая литература:

1. [4] стр.19.

2. [1] стр.410-415.

Контрольные задания для СРС (тема 5) [1, 4]

1. Изучить механическую обработку порошковых материалов.

2. Разобрать сущность калибрования и различные ее виды.

7. Конструкционные порошковые материалы

Конструкционные материалы являются наиболее распространенным видом продукции порошковой металлургии. Учитывая почти полное отсутствие отходов, они имеют минимальную стоимость и трудоемкость.

Важной структурной характеристикой, определяющей свойства порошковых материалов, является пористость и строение межчастичных контактов, которые существенно влияют на прочность материала.

Для определения предела прочности на сжатие материалов малой и средней пористости используют формулу Бальшина:

,

где -- предел прочности материала в области межчастичного контакта; m -- параметр, изменяющийся от 3 до 7; П -- пористость материала.

Для определения предела прочности на сжатие хрупких материалов применяют формулу Рышкевича:

где В -- коэффициент, зависящий от условий получения и испытания материалов (обычно В = 4.7).

Приведенные формулы являются наиболее удобными и простыми. Однако необходимость учета влияния структуры межчастичных контактов на механические свойства материала обусловливает необходимость совершенствования методов расчета прочности пористых материалов. Модель пористого материала можно представить как совокупность частиц, соединенных перешейками, прочность которых определяет прочность материала. В этом случае формула для определения прочности материалов различной пористости и структуры будет иметь вид

где -- прочность беспористого материала, аналогичного по составу и структуре материалу частиц порошка, полученного при таких же условиях, как и пористый материал.

Формула (3) позволяет охарактеризовать прочность, упругость и пластичность порошковых материалов во всем интервале изменения их пористости.

При практическом использовании приведенных формул коэффициент В определяют в основном экспериментально. Его значения для многих материалов приведены в литературе. Общие закономерности изменения коэффициента В следующие: уменьшение длительности и снижение температуры спекания, замена легированных порошков смесью компонентов приводит к возрастанию абсолютного значения параметра В; повышение пластичности материала приводит к снижению значения параметра В (значение параметра В зависит также от вида возникающих напряжений; так, при появле- нии напряжений сжатия, среза и кручения В=1.2, изгиба -- В=2.4, растяжения -- В=4.5).

Таким образом, прочность порошковых конструкционных деталей существенно зависит от пористости и состояния межчастичных контактов, определяемых условиями получения деталей, а также от вида напряженного состояния и условий их испытания. При одинаковых составе материала и условиях его получения основным фактором, определяющим его свойства, является пористость, изменяя которую можно получать порошковые конструкционные материалы для различных условий эксплуатации.

Пористость конструкционных материалов ограничивается 25 %, так как при больших ее значениях наблюдается интенсивная коррозия и снижается надежность деталей.

Классификация и свойства порошковых конструк...