Получение механолегированных порошков

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Ярославский государственный технический университет»

Кафедра «Технология материалов, стандартизация и метрология»

Реферат

Получение механолегированных порошков

Реферат выполнил Ю.А. Молотков

2022



СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Порошковая металлургия

Механическое измельчение твёрдых материалов

Механическое легирование

Механическое легирование алюминиевых сплавов

Механическое легирование новых материалов

Механическое легирование на микроуровне

Роль порошковой металлургии в технике

Современные тенденции развития и задачи порошковой металлургии

Список использованных источников



ВВЕДЕНИЕ

Порошковая металлургия - область науки и техники, охватывающая производство металлических порошков, а также изделий из них или их смесей с неметаллическими порошками. Металлический порошок представляет собой совокупность частиц металла, сплава или металлоподобного соединения, находящихся во взаимном контакте и не связанных между собой.

Порошковая металлургия всегда играла значительную роль в техническом прогрессе, поскольку позволяла получать новые материалы и изделия, которые невозможно изготовить с помощью других традиционных технологий. В последние десятилетия значимость порошковой металлургии существенно возрастает, поскольку на ее основе создаются принципиально новые материалы с микрокристаллической, наноразмерной и аморфной структурой. Уникальная структура позволяет значительно повысить физико-механические и функциональные свойства изделий.

Металлические порошки известны с незапамятных времен. Порошки золота, меди и бронзы люди применяли еще в бронзовом веке, а возможно и раньше для изготовления бытовых предметов и украшений. Известно, что в гробнице египетского фараона Тутанхамона, жившего 3500 лет тому назад, сохранились железные кинжалы, украшенные порошковым золотом. Многие авторы, рассматривая становление и развитие порошковой металлургии, отмечают, что ее отдельные процессы, например, восстановление оксидов углеродом, ковка пористого (губчатого) металла и др. широко применялись древними металлургами.

В России первые научные обобщения в области порошковой металлургии в 1752-1763 г.г. сделал М.В. Ломоносов. В частности, в курсе «истинной физической химии» он ввел определение таких технологических операций как разрыхление твердых тел измельчением в ступке, зернением расплавленного металла в воде, скоблением и опиливанием. Здесь же рассматриваются операции рассева порошка на сите, отмучивание с отделением особо мелких частиц и др. Рождение современной порошковой металлургии связывают с работами выдающегося российского ученого Петра Григорьевича Соболевского, который в 1827 г. опубликовал в «Горном журнале» доклад «Об очищении и обработке сырой платины». В способе получения платины, разработанном Соболевским, присутствовали все основные операции современного технологического процесса порошковой металлургии - получение губчатой порошковой массы, холодное прессование в пресс-форме, спекание прессованного брикета и дополнительная горячая деформация для повышения плотности и механических свойств спеченного металла. После появления газовой горелки, с помощью которой научились плавить платину, о порошковой металлургии за были примерно на 50 лет.

В начале ХХ века, в связи с бурным развитием электротехники для электроламповой промышленности понадобились нити накаливания. Одним из важных этапов развития порошковой металлургии явилась разработка Кулиджа, который по заказу Эдисона получил из вольфрамового порошка долговечную нить накаливания. Затем последовало решение других сложных технических задач с помощью порошковой металлургии. Вот их основной перечень:

- разработка и производство порошковых самосмазывающихся подшипников (1922 г.);

- создание твердых сплавов на основе карбида вольфрама с кобальтом (1924-1925 г.г.);

- разработка порошковых магнитных и электроконтактных материалов (1930-е годы);

- создание производства конструкционных деталей для автомобилестроения (1937 г.).

В годы великой отечественной войны порошковая металлургия успешно решала проблемы экономии остродефицитных металлов и сплавов и замены их более доступными аналогами.

Начатые в 1930-х годах исследования и разработки теоретических и технологических основ порошковой металлургии получили интенсивное развитие в послевоенные годы. Были разработаны способы производства порошков практически всех металлов, многих неметаллов и соединений - карбидов, боридов, нитридов, оксидов металлов и др. Такими способами явились: восстановление оксидов в газовой среде, металлотермическое восстановление, электролитическое осаждение, разложение карбонилов и др. Значительные достижения имели место и в области формования изделий из порошков. Разработаны процессы горячего прессования, ковки и штамповки заготовок, прокатка порошков, экструзия, шликерное литье и многие другие, позволившие получать из порошков заготовки под прокатку, в виде листов, полос, проволоки, фольги, а также в виде отдельных деталей, в том числе повышенной сложности. Разработка теоретических основ и практики спекания обеспечила возможность спекания металлов и сплавов, тугоплавких соединений и керметов в присутствии жидкой фазы и с использованием различных защитных газовых сред, спекание в вакууме и под давлением.



ПОРОШКОВАЯ МЕТАЛУРГИЯ

Порошковая металлургия имеет дело с порошками, размер частиц которых колеблется от 0,01 до 1000 мкм. Размер частиц наиболее употребляемых металлических порошков подобен толщине человеческого волоса (25 - 200 мкм). Форма частиц порошка зависит от способа его производства и может быть самая разнообразная: пластинчатая, сферическая, осколочная, губчатая, дендритная и др. Порошковая металлургия начинается с производства порошка. Мировое производство порошков черных и цветных металлов непрерывно возрастает. Годовой объем производства металлических порошков в мире в настоящее время составляет примерно 1,2 млн.т., в том числе изделий из них около 800 - 900 тыс.т. На рис. 1 приведена диаграмма с указанием относительных объемов производства наиболее распространенных металлических порошков в долях от объема производства порошка железа.

Рис. 1 Относительный объем производства металлических порошков.

Все способы получения порошков условно делят на механические и физико-химические.

К механическим способам относят размол твердых материалов в различных по конструкции дробилках и мельницах, а также диспергирование или распыление металлических расплавов.

Физикохимические способы включают технологические процессы с глубокими физико-химическими превращениями исходного сырья. Это, прежде всего, способы восстановления оксидов и других химических соединений, электролиз и термическая диссоциация карбонилов. Химический состав и структура порошка, полученного физикохимическими способами, обычно существенно отличается от исходного материала. В практике порошковой металлургии иногда приходится комбинировать отдельные элементы механических и физикохимических способов. Например, получение порошков гидрида титана из стружки или кусковых отходов включает в себя насыщение титана водородом и последующее механическое измельчение отходов в дробилках и мельницах.

Механическое измельчение часто применяют для размола спеков химически восстановленных порошков.

При выборе способа получения порошка необходимо исходить из технических требований к конечной продукции, а также учитывать и экономические факторы, такие как стоимость порошка и затраты на его переработку в изделия.

В таблице 1 приведены основные способы производства металлических порошков.

Таблица 1. Основные способы производства металлических порошков

Материал порошка	Способы производства
Железо	Восстановление оксидов, распыление расплава водой или газом, электролиз, диссоциация карбонилов
Легированные стали	Распыление расплава водой, газом, центробежными силами; механическое измельчение
Медь	Электролиз, распыление расплава водой или газом, восстановление оксидов
Медные сплавы	Распыление расплава водой или газом
Алюминий	Распыление расплава газом, механическое измельчение
Никель	Диссоциация карбонилов, электролиз, распыление расплава водой
Никелевые сплавы	Распыление расплава газом, водой, центробежными силами, механическое легирование
Кобальт	Восстановление оксидов, химическое осаждение
Бериллий	Распыление расплава газом, механическое измельчение
Композиты (Al-Si и др.)	Механическое легирование, плазменное распыление
Интерметаллиды (Ni-Al и др.)	Распыление расплава газом или центробежными силами, реакционный синтез
Золото, серебро	Электролиз, распыление расплава газом, химическое осаждение
Титан, и др. реакционные металлы	Восстановление хлоридов, центробежное распыление расплава, гидрирование-дегидрирование
Тугоплавкие ме таллы (W и др.)	Восстановление оксидов, центробежное или плазменное распыление, химическое осаждение
Уран	Восстановление оксидов, гидрирование дегидрирование
Нанопорошки металлов и их оксидов	Процессы осаждения из растворов, в том числе зольгель процесс, испарение и конденсация, механическое измельчение

МЕХАНИЧЕСКОЕ ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ ТВЁРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

Механическое измельчение представляет собой разрушение материала путем раздавливания, резания, истирания, удара, или при комбинации этих действий. Наиболее целесообразно применять механическое измельчение при производстве порошков из хрупких металлов и сплавов, таких как кремний, хром, марганец, бериллий, ферросплавы, чугуны, сплавы алюминия с магнием и др. В принципе, механическим способом можно измельчить и пластичные материалы, склонные к наклепу (цинк, алюминий, медь, железо и др.), но размол пластичных и вязких металлов затруднен, поскольку они деформируются без разрушения.

Измельчение в дробилках

Первичное измельчение кускового твердого материала обычно производят в щековых, валковых и конусных дробилках. В щековых дробилках, измельчают спеки порошков, осадки с электродов, ферросплавы и другие твердые материалы с пределом прочности на сжатие до 300 МПа. Дробление материала происходит за счет раздавливания кусков между неподвижной и подвижной щеками дробилки. При сближении щек происходит дробление материала, а при расхождении щек дробленый материал высыпается через разгрузочную щель. Дробящие щеки работают в наиболее тяжелых условиях, поэтому их делают из износостойких материалов, например, из деформационноупрочняемой стали Г13, или упрочняют износостойкими наплавками. Минимальный размер частиц на выходе дробилки 1 - 4 мм. Валковые дробилки из двух валков, оси которых расположены в горизонтальной плоскости, позволяют получать молотый продукт с размером частиц 0,5 - 1мм. Валки вращаются навстречу друг другу с окружной скоростью 2 - 4 м/c. Один или оба валка имеют возможность совершать возвратно-поступательное движение по направляющим на тот случай, если в раствор между валками попадет недробимый кусок. Валки могут быть гладкими или зубчатыми. Эффективность дробления во многом зависит от условий подачи материала в дробилку. Наиболее эффективна непрерывная подача материала с равномерным его распределением по длине валка.

В последние годы для получения порошков применяются конусно инерционные дробилки (рис. 2). В дробилках этого типа измельчение материала происходит в зоне дробления между неподвижным 1 и подвижным конусами 2. Отличительной особенностью таких дробилок является наличие дебалансного вибратора 5, закрепленного на валу дробилки. При вращении вибратора возникает центробежная сила, возбуждающая перемещения подвижного (дробящего) конуса. Этот конус вибрирует с частотой, соответствующей скорости вращения вибратора и одновременно вращается с небольшой скоростью, раздавливая материал, поступающий в зону дробления. Между дробящим конусом и валом дробилки нет жесткой кинематической связи, что предотвращает поломку дробилки при попадании в зону дробления недробимых тел. Наиболее часто в ПМ применяется конусно-инерционная дробилка КИД-300 с диаметром дробящего конуса 300 мм. Максимальный размер куска на входе в эту дробилку 15 мм. Типичный средний размер частиц после дробления около 1 мм. Повторное дробление позволяет дополнительно измельчить порошок, однако с каждым последующим проходом эффективность измельчения падает, а износ мелющих тел растет.

Рис. 2. Дробление отходов в конусно-инерционной дробилке:

1 - неподвижный конус; 2 - подвижный конус; 3 - электродвигатель; 4 - основание; 5 - дебаланс; 6 - корпус

Измельчение в шаровых мельницах

Простейший аппарат для измельчения твердых материалов представляет собой цилиндрический барабан, внутри которого находятся размольные тела в форме шаров или близких к шарам цилиндров округлой полиэдрической формы. При вращении такого барабана (шаровой мельницы) размольные шары поднимаются на некоторую высоту, после чего скатываются или падают вниз, дробя или истирая измельчаемый материал. Отношение диаметра барабана D к его длине L изменяет соотношение между дробящим и истирающим действием шаров. При D/L > 3 превалирует дробящее действие шаров, что эффективно измельчает хрупкие материалы. При D/L < 3 преобладает истирающее действие, более эффективное при измельчении пластичных материалов.

Наиболее интенсивное измельчение исходного материала достигается в планетарных центробежных мельницах (ПЦМ). В ПЦМ, схема которой показана на рис. 3, электродвигатель через клиноременную передачу вращает корпус шкив, на периферии которого в обоймах закреплены барабаны, способные вращаться вокруг своей оси. Центры этих барабанов при вращении шкива получают ускорение 20-35g. При вращении барабана вокруг оси шкива шары располагаются в виде сегмента, форма и положение которого во времени не меняется. Массив шаров движется с барабаном, а каждый шар движется по окружности, центром которой является ось барабана.

Рис. 3. Планетарная центробежная мельница: 1 - корпус - шкив с обоймами; 2 - основание; 3 - электродвигатель; 4 - кожух; 5 - подставка

Для быстрого и тонкого измельчения твердых сплавов, карбидов и других, преимущественно, тугоплавких соединений широко применяются вибрационные шаровые мельницы. Принципиальная схема вибрационной мельницы показана на рис. 4.

Электродвигатель 1 через эластичную муфту 2 приводит во вращение дебалансный вал 5, что вызывает круговые колебания корпуса 3. Амплитуда колебаний 2 - 4 мм, частота 1000 - 3000 1/мин. Корпус мельницы опирается на пружины 6, амортизирующие действие инерционных сил. Загрузка мельницы, состоящая из измельчаемого материала и шаров, получает частые импульсы от стенок корпуса мельницы. Шары подбрасываются, соударяются, вращаются и скользят по стенкам корпуса. Во всех зонах корпуса на измельчаемые частицы действуют в разных направлениях ударные, сжимающие и срезывающие усилия переменной величины. В отличие от падающих шаров вращающейся мельницы в вибромельнице импульс единичного шара невелик, но большое число шаров и высокая частота вибрации корпуса обеспечивают интенсивное измельчение материала.

Рис. 4. Вибрационная мельница: 1 - электродвигатель; 2 - упругая соединительная муфта; 3 - стальной корпус; 4 - загрузочный люк; 5 - вал с дебалансами; 6 - спиральные пружины; 7 - неподвижная рама.

механолегированный порошок

Конструкции вибромельниц различаются по технологическим и конструктивным признакам. По технологическим признакам различают мельницы сухого и мокрого помола. По конструктивным признакам мельницы различаются формой корпуса, конструкцией опор, системой загрузки и выгрузки материала и др. Технологические параметры виброразмола обычно устанавливают эмпирическим путем с учетом свойств измельчаемого материала и требуемой дисперсности порошка.

Измельчение в вихревых и струйных мельницах

Схема вихревой мельницы приведена на рис. 5. В рабочей камере мельницы вращаются пропеллеры-била в противоположных направлениях со скоростью около 3000 1/мин, создавая вихревой поток. Измельчаемый материал в виде обрезков проволоки или крупного порошка поступает из бункера в вихревой поток, где частицы материала сталкиваются друг с другом и самоизмельчаются. В камеру мельницы насосом нагнетается газ (воздух, азот), поток которого направляет измельченные частицы в приемную камеру.

Рис. 5. Вихревая мельница: 1 - рабочая камера; 2 - пропеллеры; 3 - бункер; 4 - насос; 5 - приемная камера; 6 - отсадочная камера.

Скорость газового потока регулируют таким образом, чтобы захватить частицы требуемого размера. Обычно это частицы от 50 до350 мкм. Более крупные частицы оседают на дне камеры и вновь направляются для повторного измельчения. Форма частиц может быть осколочной, чешуйчатой или округлой. Часто на поверхности расплющенных частиц образуются характерные углубления, напоминающие по форме тарелку. Такие частицы называют тарельчатыми.

При вихревом измельчении могут формироваться и дисперсные порошки с пирофорными свойствами, склонные к самовозгоранию. Для предотвращения самовозгорания в рабочую камеру вводят инертный, или нейтральный газ, содержащий до 5 % кислорода. Это обеспечивает создание на поверхности частиц порошка тонкой оксидной пленки, которая устраняет пирофорность.

Часовая производительность вихревых мельниц мощностью 30 кВт составляет 7-15 кг/ч.

Более производительны близкие по принципу работы струйные мельницы, обеспечивающие сверхтонкое измельчение материала.

Схема струйной мельницы показана на рис. 6.

Рис. 6. Струйная мельница: 1 - впускной вентиль; 2 - бункер; 3 - дозатор; 4 - псевдосжиженный слой материала; 5 - форсунки; 6 - ввод газа; 7 - камера измельчения; 8 - сепаратор; 9 - патрубок для вывода измельченного материала и газа.

В рабочую камеру мельницы из трех-четырех форсунок вводят сжатый газ (азот, воздух, перегретый пар) со звуковой и даже сверхзвуковой скоростью. Измельчаемый материал, обрабатываемый газовыми струями, находится в псевдосжиженном состоянии (в кипящем слое). Вихревое движение и многократное соударение частиц приводит к их интенсивному истиранию и самоизмельчению до размера 1-5 мкм. Измельчаемые частицы практически не контактируют со стенками камеры, что предотвращает как износ стенок, так и загрязнение порошка. Из зоны размола дисперсные частицы выводятся направленным вверх газовым потоком и попадают на диск сепаратора. Более крупные частицы (крупнее заданных) сбрасываются сепараторным диском обратно в зону измельчения.

Измельчение металлов резанием

Измельчение металлов резанием это слишком дорогой метод, поэтому он применяется в ограниченном масштабе для получения порошков из металлов с повышенным химическим сродством к кислороду. Например, порошки магния получают с помощью кратцмашины, которая снабжена специальной лентой со стальными щетками. Пластину магния подают в машину, где она прижимается к щеткам ленты. Пластине придается возвратно-поступательное движение.

Щетки ленты царапают металл, в результате чего образуются сравнительно крупные частицы магния. Крупность порошка можно регулировать числом и толщиной зубьев щетки, а также скоростью подачи ленты. Минимальный размер частиц - 220 мкм. При необходимости получить более дисперсный порошок, его доизмельчают в шаровой мельнице, в среде углекислого газа. Более производительным является способ получения порошка магния фрезерованием. Литые заготовки фрезеруют при больших скоростях резания (30 - 40 м/с) и получают частицы размером 90 мкм и более. Образующийся порошок отсасывается в циклон и через шлюзовый затвор поступает на вибрационный грохот для разделения на фракции. Мелкие порошки, не осевшие в циклоне, улавливаются фильтром, брикетируются и переплавляются.

Измельчение ультразвуком

Ультразвуком называют упругие колебания и волны, частота которых превышает 15 - 20 кГц. Низкочастотные УЗК 15 - 100 кГц; средние частоты 100 кГц - 10 МГц; высокие частоты - 10 МГц - 1ГГц и гиперзвук> 1ГГц. Упругие колебания при распространении в газе, жидкости или твердом теле создают звуковую волну, которая образует сгущения и разряжения, соответствующие частоте колебаний.

Движение частиц с ускорением приводит к возникновению избыточного, по отношению к атмосферному, давления звуковой волны. В жидкой среде УЗК определенной мощности нарушают сплошность среды и в ней появляются разрывы в виде полостей (коверн), которые в фазе разряжения растягиваются, а в фазе сжатия сжимаются. Подобный процесс пульсации полостей, заполненных газом или паром, называют кавитацией. Реальные жидкости разрываются даже при не больших давлениях, близких к давлению упругости их паров. Это вызвано наличием в жидкостях газовых пузырьков и твердых частиц размером от десятых долей до нескольких микрон. Такие пузырьки и частицы являются зародышами кавитации.

Механизм ультразвукового измельчения материала включает в себя:

- кавитационное разрушение частиц за счет энергии, освобождающейся в фазе сжатия, при захлопывании кавитционных пузырьков;

- гидроабразивное разрушение, возникающее вследствие взаимодействия частиц в кавитационных потоках.

Кавитационное разрушение объясняется образованием на поверхности частицы в местах концентрации напряжений (микротрещины, неровности поверхности и т. п.) кавитационных пузырьков, пульсация которых приводит к заполнению концентраторов напряжений жидкостью и захлопыванию самих пузырьков. В момент захлопывания пузырька возникает ударная волна, если пузырек больше частицы, или микроструя, если пузырек меньше частицы. Ударные волны и микроструи создают на поверхности частицы растягивающие напряжения порядка 102 - 103 МПа. Таких напряжений вполне достаточно для разрушения твердых частиц, прочность которых понижена из-за наличия разного рода дефектов.

Гидроабразивное разрушение твердых частиц вызвано их соударением при движении в жидкости под воздействием кавитационных потоков. Средняя скорость акустических макропотоков в жидкости невелика и составляет 1 - 1,5 м/с. В то же время скорость микропотоков, возникающих при вторичном расширении кавитационной полости достигает 1500 - 2000 м/с. Возможны даже сверхзвуковые скорости порядка 104 м/с.

Эффективность ультразвукового измельчения зависит от структурно-морфологического состояния частиц материала, прочностных характеристик, параметров ультразвука, длительности процесса и свойств жидкой среды. Наиболее эффективной жидкой средой является вода, поскольку у органических растворителей (спирт, ацетон, бензин, четыреххлористый углерод и др.) упругость паров выше, чем у воды. С повышением упругости пара резко снижается микроударное действие кавитации. Повышение поверхностного натяжения жидкости также снижает эффективность кавитации из-за ухудшения смачиваемости. Соответственно поверхностно-активные вещества (ПАВ), снижающие коэффициент поверхностного натяжения, усиливают процесс кавитации. Повышение температуры жидкости оказывает двоякое воздействие на процесс кавитации. С одной стороны повышение температуры снижает растворимость газов и увеличивает число зародышей кавитации, с другой стороны повышение температуры повышает упругость пара в кавитационной полости и этим снижает кинетическую энергию при захлопывании кавитационного пузырька. Поэтому существует оптимальная область температур для разных жидкостей. Для воды и водных растворов 35 - 50 єC (средняя упругость пара); для органических жидкостей (спирт, ацетон, бензин) 15 - 25оС (высокая упругость пара); глицерин 80 - 85 єC (низкая упругость пара).

Объемная концентрация твердых частиц в жидкости (т/ж) обычно выбирается в пределах соотношений от 1/8 до 1/20. Чем концентрированнее суспензия, тем крупнее порошок. Длительность измельчения обычно составляет от 5 до 60 минут. Увеличение времени обработки приводит к образованию агрегатов из частиц.

Ультразвуковые установки для измельчения обычно имеют вертикальное расположение рабочей ванны в форме цилиндра или конуса. Дно и стенки ванны снабжены магнитострикционными преобразователями энергии. Наиболее распространены установки с ванной цилиндрической формы УЗВД-6. Корпус установки выполнен из нержавеющей стали, ее дно является излучателем УЗК. Порошки, получаемые с помощью ультразвука, отличаются повышенной чистотой и дисперсностью. Частицы порошка имеют округлую форму.

МЕХАНИЧЕСКОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ (МЛ)

Процессы механического легирования (сплавления) используются в порошковой металлургии для получения жаропрочных и жаростойких сплавов. Дисперсно-упрочненные сплавы необходимы для авиастроения, космической отрасли, автомобилестроения, производства турбин, электроконтактных материалов.

Механическое легирование позволяет получить соединения типа металл - металл (даже несмешивающиеся комбинации), металл (сплав) - оксиды, металл (сплав) - неметалл.

Несмотря на то, что режим работы шаровой мельницы при скорости вращения барабана больше критической считается крайне неэффективным, на практике применяются высокоскоростные шаровые мельницы, работающие и при этих режимах. Для перевода размольных тел в рабочее состояние, внутри барабана мельницы установлен ряд лопастей. При вращении барабана со скоростью, равной или большей n_кр, размольные тела оказываются прижатыми к его цилиндрической поверхности, а лопасти перемешивают их и возвращают в рабочую зону. В такой мельнице получают композитные порошки методом механического легирования путем совмещенного размола двух и более металлов. Отношение массы размольных тел к массе смеси порошков составляет 6:1.

Процесс механического легирования обычно подразделяется на пять последовательных стадий

I. Стадия, в течение которой происходит увеличение количества частиц более грубых и более тонких, чем при начальной загрузке. Более грубые частицы являются композитными пластинками, образуемыми уплотнением различных составляющих шихты; тонкие частицы являются, главным образом, частицами более хрупких составляющих.

II. Стадия сваривания, в течение которой более крупная фракция порошка увеличивается, в то время как фракция более мелкого размера остается приблизительно постоянной. При этом более крупные частицы имеют многослойную, композитную структуру со слоями, располагающимися параллельно поверхности шаров или большей оси частиц. Эти элементарные отдельные слои значительно меньшие по объему, чем исходные частицы, и поэтому представляют собой измельченные частицы исходного порошка, включающие отдельные составляющие шихты.

III. Стадия образования равноосных частиц, во время которой резко уменьшается количество крупных пластинчатых частиц и образуются более равноосные частицы. Более мелкие фракции порошка располагаются теперь параллельными слоями, как и крупные фрагменты частиц порошка, а фрагменты частиц отдельных порошков фактически отсутствуют. Более мелкие компоненты частиц, вероятно, являются фрагментами более крупных частиц порошка аналогичной структуры. Слои из частиц отдельных порошков соединяются, в основном, с помощью сварки друг с другом.

IV. Происходит произвольная ориентация участков сварки, при которой образуются округлые конгломераты из композиционных частиц, свариваемых друг с другом без какой-либо предпочтительной ориентации.

V. Стадия механического легирования - имеет место, когда достигается устойчивое состояние распределения частиц по размерам. Внутренняя структура составных частиц различается на субзеренном уровне. Определяющими характеристиками этой стадии являются максимальный уровень твердости частиц и узкий диапазон их распределения по размерам.

Механическое легирование перспективно для получения порошков дисперсно-упрочненных материалов или таких композиций, компоненты которых обладают малой взаимной растворимостью либо резко различаются температурами плавления.

Одной из разновидностей шаровых мельниц являются так называемые аттриторные устройства (рис. 7).

Рис. 7. Схема аттритора: 1 - корпус мельницы (размольная емкость); 2 - водоохлаждаемые стенки корпуса мельницы; 3 - вал мешалки аттритора; 4 - измельчаемый материал; 5 - размольные тела; 6 - лопасти мешалки

Размольные тела загружают в вертикальный (или горизонтальный) неподвижный барабан, внутри которого со скоростью более 100 об/мин вращается вертикальная лопастная мешалка.

Гребки, наклонно укрепленные на лопастях мешалки, обеспечивают циркуляцию размольных тел и истирание измельчаемого материала. Аттриторные мельницы конструктивно просты, удобны в эксплуатации и позволяют вести процесс измельчения непрерывно. В результате размола получают порошок с более равномерным распределением частиц по размерам. Необходимая дисперсность достигается в несколько раз быстрее, чем в обычных шаровых вращающихся мельницах. Аттриторы весьма эффективны при приготовлении смеси высокодисперсных порошков разнородных компонентов, а также могут применяться для получения механолегированных порошков. В отдельных случаях аттриторы используются при получении материалов методом высокотемпературного самораспространяющегося синтеза.

Увеличение скорости вращения вала до нескольких сотен оборотов в минуту приводит к проявлению эффекта механолегирования. Отношение массы шаров к массе порошка лежит в пределах от 12:1 до 40:1. Диаметр размольных тел (чаще всего из хромистоуглеродной стали) - от 4 до 10 мм. Продолжительность процесса - до нескольких десятков часов.

Механическое легирование применяют для получения широкого спектра многофазных сплавов. Дисперсно-упрочненные жаропрочные сплавы на основе никеля, железа и алюминия, получаемые этим методом, начали занимать ведущее место среди промышленно выпускаемых материалов. Выпускаются также дисперсно-упрочненные сплавы на основе меди.

Каким бы ни был состав сплава, и тем более для дисперсно-упрочненных материалов, преимущества механического легирования проявляются в полной мере только в том случае, когда последующие компактирование, термомеханическая и термическая обработки тщательно оптимизированы.

Жаропрочные сплавы.

Из механически легированных жаропрочных сплавов сплав МА-6000 (Ni-15Cr-2Mo-4W-4,5Al-2,5Ti-2Ta-0,01B-0,015Zr-0,05C-1,1Y₂O₃) считается наиболее сложным и перспективным упрочненным оксидами жаропрочным сплавом на основе никеля. Сплав применяется в качестве материала для лопаток турбины. Как видно, предпочтительным оксидным дисперсоидом в современных дисперсно-упрочненных жаропрочных сплавах является Y2O3 (оксид иттрия), заменяющий применявшийся ранее оксид тория.

МЕХАНИЧЕСКОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Спеченный алюминиевый порошок (САП) был первым из дисперсно-упрочненных металлов, в которых дисперсия Аl₂О₃ в алюминии была получена с использованием естественного поверхностного окисления алюминиевого порошка. Однако дисперсия Аl₂О₃ в этом случае неэффективна, поскольку здесь включения Аl₂О₃ имеют форму пластин, неравномерно распределенных в матрице. Механическое легирование было успешно применено для обеспечения эффективного распределения Аl₂О₃ в алюминии, превосходящего по однородности распределение в САП. Вследствие этого уровень прочности механически легированного композита Аl - Аl₂О₃, содержащего 2,75-5,4% (об.) дисперсоида (Аl₂О₃ + Аl₄С₃), был равен или превосходил уровень прочности серийного сплава САП, содержащего 11,5% (об.) Аl₂О₃; электропроводность этого сплава также превосходила электропроводность САП.

Применяемые для управления процессом органические вещества, которые обычно требуются при механическом легировании алюминиевых сплавов для поддержания равновесия между свариванием и разрушением частиц в ходе процесса, приводят к образованию дополнительного дисперсоида Аl₄С₃.

Существенное улучшение механических свойств и устойчивости против коррозии в полученных механическим легированием сплавах алюминия ускорили промышленное производство сплавов IN-9052 (Аl-4Мg-0,8O₂-1,1С) и IN-9021 (Аl- 4Сu-1,5Мg-1,1С-0,8O₂), которые превосходят по свойствам обычно применяемый сплав 7075 (Аl-5,6Zn-2,5Мg-1,5Cu-0,3Cr), причем первые имеют равные уровни прочности с последним, но в то же время превосходят его по устойчивости против коррозии.

В связи с проявлением во всем мире интереса к сплавам Аl-Li для применения в космической технике, механическое легирование вновь обеспечило создание нового поколения сплавов, упрочненных Аl₂О₃ и Аl₄С₃. Сплав NOVAMET (Аl-4Мg-1,5Li-0,8O₂-1,1С) фирмы INCO является одним из таких серийных сплавов.

МЕХАНИЧЕСКОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

C помощью механического легирования можно создавать эффективные новые материалы Примером является механически легированная дисперсионно-твердеющая нержавеющая сталь, механические свойства которой заметно превосходят свойства этой стали, полученной литьем. Аналогичным образом получили медь, упрочненную дисперсной Аl₂О₃ механическим легированием меди алюминием, которая сохраняет твердость при температуре >800°С. Такие сплавы меди могут использоваться в качестве электродов для точечной сварки. В ходе другого исследования механическим легированием была получена композиция W- 5Ni-5Fe с повышенной плотностью после спекания и большим объемом интерметаллидных фаз.

Механическое легирование успешно используется для производства высококачественных электрических контактов, например, композиции Сu-15Ru. Рутений отличается множеством привлекательных электрических свойств и значительно менее дорог по сравнению с золотом и другими металлами платиновой группы. Таким образом, он является более предпочтительным материалом для применения в электрических контактах. Однако чистый рутений очень хрупок для придания ему нужной формы и не сплавляется с обычными материалами, из которых изготавливают электрические контакты, типа золота и серебра. Так как эти два элемента взаимно нерастворимы, механическое легирование является едва ли не единственным способом такой неравновесной структуры, в которой 15% (по массе) Ru распределены в виде дисперсных частиц в медной матрице. В таком материале твердые, тугоплавкие и имеющие высокую проводимость частицы рутения функционируют как точки электрического контакта, в то время как несущая медная матрица обеспечивает электрическую проводимость.

Другим новым применением механического легирования явилось получение сверхпроводящей проволоки состава Сu-Nb₃Sn. Стехиометрические доли ниобия и олова механически легировались в аттриторе до получения интерметаллического композиционного порошка, который затем измельчался с медью, изостатически прессовался и подвергался гидростатической экструзии для получения проволоки. При этом имела место диффузия с образованием сверхпроводящего соединения.

Механическим легированием может быть достигнута лучшая растворимость в твердом состоянии. Так как предельное значение растворимости в твердом состоянии железа в меди составляет ~1%, добавление большего количества железа приводит к образованию крупных, грубых частиц железа, которые могут придать хрупкость матрице. Механическим легированием может быть получено почти любое содержание железа в меди, причем железо тонко диспергируется в матрице.

Концепция порошковой металлургии позволяет развивать новые технологии получения материалов, что подтверждают примеры создания и совершенствования технологий самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и механического легирования. Рассмотрены физико-химические основы, область и примеры применения данных технологий в современной технике.

Далее рассмотрим перспективное направление в порошковой металлургии, связанное с созданием пористых материалов и изделий со специальными эксплуатационными свойствами.

МЕХАНИЧЕСКОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ НА МИКРОУРОВНЕ

Указанный процесс применяется для компонентов, получить твердые растворы, которых другими методами (например, кристаллизацией из расплава) невозможно либо довольно затруднительно. Получаемые порошковые материалы обладают рядом уникальных свойств, причем характеристики порошка (размеры, состав, микроструктура частиц) определяют физико-механические и рабочие характеристики изделий из порошковых материалов. Процесс МЛ является существенно неравновесным и сопровождается диссипацией подводимой механической энергии на трех масштабных уровнях:

макроскопическом - за счет сложного движения мелющих шаров и массы порошка;

мезоскопическом - за счет значительного неупругого деформирования и разогрева частиц порошка (в том числе их сваривания и разрушения), приводящих к изменению их морфологии и размеров;

микроскопическом - за счет процессов диффузии и изменения дефектной структуры частиц.

В частности, МЛ с последующим спеканием порошка позволяет получать уникальные высокоазотистые стали и детали из них, обладающие повышенными прочностными, износостойкими и коррозионностойкими свойствами по сравнению с азотистыми сталями и деталями из них, произведенными традиционными методами. Эти уникальные высокоазотистые стали применяются для изготовления отдельных узлов и агрегатов конструкций авиационного и ракетно-космического назначения.

Основной проблемой с инженерной точки зрения является определение параметров ведения процесса МЛ (частот вращения, размеров устройств, их загрузки, временного и температурного режимов) для получения новых материалов с улучшенными физикомеханическими свойствами.

Экспериментальные методы установления параметров технологического процесса требуют существенных материальных и временных затрат. Кроме того, детальное экспериментальное исследование большинства процессов, протекающих в частицах порошка при МЛ, не всегда возможно. Это связано со сложностью процесса МЛ, идущего при больших скоростях в условиях динамических воздействий на частицы порошка, что ведет к существенному изменению параметров их состояния. В таких условиях математическое моделирование процессов, имеющих определяющее влияние на параметры и физико-механические свойства частиц порошка, в сочетании с экспериментальными исследованиями становится практически единственным возможным путем разработки инженерного подхода, позволяющего предсказывать свойства порошка или подбирать условия проведения процесса механического легирования для достижения требуемых свойств.

РОЛЬ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛУРГИИ В ТЕХНИКЕ

Наиболее значимый вклад порошковой металлургии в технику - это возможность создания и производства новых порошковых материалов и изделий со специфическими свойствами, недостижимыми для других технологий. Важные задачи решает порошковая металлургия и при изготовлении деталей и изделий из обычных материалов, но с более высокими технико-экономическими показателями. Рассмотрим подробнее наиболее характерные примеры, иллюстрирующие роль порошковой металлургии в современной технике.

Пористые материалы и изделия

Трудно переоценить роль в технике порошковых пористых антифрикционных, фрикционных материалов и фильтров. Применение спеченных антифрикционных материалов позволило увеличить срок службы подшипников и других деталей в узлах трения в 1,5 - 10 раз, значительно снизить стоимость изготовления, уменьшить потери металла и повысить производительность труда. В промышленных масштабах освоено изготовление из порошковых антифрикционных материалов различных самосмазывающихся подшипников скольжения, торцевых уплотнений, подпятников, поршневых колец и других деталей узлов трения. Порошковые антифрикционные материалы находят широкое применение в автомобильной промышленности, сельхозмашиностроении, в транспортном и энергетическом машиностроении, в авиационной и космической технике, химическом машиностроении, в текстильной и пищевой промышленности, в бытовой технике и т. д.

Повышение нагрузок и скоростей различных машин и механизмов потребовало создание новых фрикционных материалов для тормозов, передаточных устройств и других узлов трения. Особенно высокие требования к тормозным устройствам выдвинула быстро развивающаяся авиационная техника. У современных самолетов на поверхности трения тормозных устройств температура возрастает до 1100 єC при скоростях трения до 20 м/с и давлении до 1,5 МПа. Традиционные чугунные, стальные и асбофрикционные тормозные диски не могут обеспечить надежного управления быстродвижущимися объектами и передачи больших мощностей в передаточных устройствах. Задача получения эффективных фрикционных материалов была решена путем нанесения на поверхность каркаса из листовой стали тонкого слоя из порошков меди, олова, свинца, графита и диоксида кремния. Порошковый слой наносится под давлением при повышенной температуре, что обеспечивает его прочное схватывание со стальным каркасом. В результате сочетается прочность несущего стального каркаса с высоким коэффициентом трения и износостойкостью, отсутствием схватывания трущихся поверхностей и плавностью торможения композиционного фрикционного слоя.

Порошковые фрикционные материалы широко применяются в узлах трения с принудительной смазкой (электромагнитные муфты, синхронии-заторы, гидротрансмиссии, фрикционы и др.) и в узлах трения без смазки (муфты сцепления, тормоза, электромагнитные муфты) в самолетах, автомобилях, тракторах, металлорежущих станках и многих других машинах и механизмах. Применение порошковых фрикционных материалов позволило не только улучшить технические характеристики машин, но и обеспечить повышение ресурса работы узлов трения, безотказность и безопасность транспортных средств.

Типичными представителями пористых порошковых изделий являются фильтры. Фильтры широко применяются для очистки воздуха и других газов, жидкостей, в том числе масел и жидких топлив, расплавов металлов и др. В отличие от сетчатых, керамических, стеклянных, тканевых, картонных фильтров, фильтры из спеченных металлических порошков более прочны, выдерживают высокие температуры и резкие теплосмены и не загрязняют фильтруемое вещество.

Применение спеченных фильтров из порошков бронзы, нержавеющей стали, титановых сплавов и др. позволяет находить в промышленности новые конструктивные решения и разрабатывать новые технологии.

Высокопористые порошковые материалы применяются также для воздушного транспорта сыпучих тел (транспортные желоба).

Применение пористых электродов повышает эффективность работы аккумуляторов и топливных элементов. Большой интерес для многих отраслей техники представляют высокопористые тепловые трубы, представляющие собой проводники тепла с теплопроводностью, превышающей теплопроводность меди в тысячи раз. Основным работающим элементом тепловой трубы является тонкий капиллярный слой на ее внутренней поверхности. Этот слой осуществляет капиллярный транспорт вещества теплоносителя (вода, фреон, спирт, жидкий натрий и т. п.) из зоны конденсации в зону испарения. Уникально высокая теплопроводность, автономность, способность длительной работы (тысячи часов) открывают высокопористым тепловым трубам широкие области применения. В энергетике они необходимы для отвода тепла из внутренних перегревающихся объемов ядерных энергетических установок, электрических машин, газотурбинных двигателей и т. п.

В авиации и космической технике, радиотехнике и электронике тепловые трубы находят применение для термостабилизации аппаратуры и сброса избыточного тепла.

Электротехнические и магнитные материалы

Значительную роль в развитии электротехники сыграли порошковые материалы. Первым видом электротехнических изделий, изготавливаемых способами порошковой металлургии, были вольфрамовые нити накаливания. Затем возникла потребность в меднографитовых щетках для динамомашин и в материалах для электрических контактов. Электроконтактные материалы должны обеспечивать возможность многократного включения и выключения больших электрических токов на линиях дальних передач. В слаботочных приборах, применяемых для автоматического управления производственными процессами, в электронной и других отраслях техники, требуется обеспечить безотказную работу коммутирующих устройств, совершающих десятки миллионов операций включения - выключения токов. Разнообразие условий работы электроконтактных материалов требует сочетания в одном материале тугоплавкости, повышенной твердости, высокой тепло- и электропроводности, противокоррозионной стойкости, хороших антифрикционных свойств и др. Сочетание таких требований не могут обеспечить традиционные литые металлы и сплавы. Достижение столь сложного комплекса свойств возможно путем создания порошковых псевдосплавов и композиционных материалов, объединяющих в своем составе различные, в том числе несплавляемые вещества. Так, введение в пористый вольфрам меди или серебра обеспечивает достижение тугоплавкости, высоких характеристик тепло- и электропроводности, твердости и хороших дугогасящих свойств.

Методы порошковой металлургии позволили создать новые составы магнитных материалов. Магнитомягкие материалы на основе железных порошков с кремнием и алюминием нашли широкое применение для изготовления магнитопроводов статоров, роторов и других деталей, работающих в переменных магнитных полях. Для них типичны высокое удельное электросопротивление и малые потери на перемагничивание.

Появление в последние годы аморфных и нанокристаллических материалов позволило создать новый класс магнитомягких сплавов с уникальными свойствами. Они характеризуются особо высокой магнитной проницаемостью, низкой коэрцитивной силой, высокой прочностью и износостойкостью. Получены также новые порошковые магнитотвердые материалы системы кобальт-редкоземельные элементы, а также системы железонеодим-бор. Магнитные свойства этих сплавов значительно превышают свойства стандартных сплавов типа «Альнико». Новые магнитотвердые материалы находят применение в магнитных линзах электронных пушек (плавильные печи, микроскопы) и в других разнооб разных приборах и устройствах для фокусировки электронных пучков (телевизоры, магнитные часы, СВЧ-устройства и др.).

Для быстро развивающихся радиоэлектроники, телевидения, вычислительной техники, проводной связи и других отраслей потребовалось большое количество магнитов со специальными свойствами. С помощью методов порошковой металлургии были разработаны ферриты, представляющие собой полупроводники из соединений оксида железа с оксидами других металлов. Ферриты обладают большими преимуществами перед металлическими магнитными сплавами, прежде всего высоким электрическим сопротивлением, исключающим магнитные потери при эксплуатации в переменных полях высокой частоты. Помимо различных по конфигурации спеченных ферритов, освоено производство пленочных ферритов, наносимых осаждением и конденсацией в вакууме, катодным распылением, плазменным напылением и другими методами. Эти ферриты применяют в магнитных миниатюризованных элементах компьютерной и электронной техники.

Весьма эффективными оказались методы порошковой металлургии при производстве диэлектриков, которые представляют собой ферромагнитные частицы, окруженные оболочками из диэлектрика, снижающими величину вихревых токов в проводящей фазе. Эти материалы обеспечили стабильную работу сердечников катушек индуктивности и микромодульных сердечников в радиоэлектронных устройствах при частотах в сотни мегагерц.

Тугоплавкие металлы и соединения

Вольфрам, молибден, тантал, ниобий и рений являются типичными представителями тугоплавких металлов, которые получают методами порошковой металлургии в виде спеченных изделий, деформированных прутков, проволоки, листов и др. Высокая тугоплавкость, стойкость против электрической коррозии, жаропрочность и ряд других ценных свойств определяют широкие области применения тугоплавких металлов. Наиболее тугоплавкий металл - вольфрам является, как уже отмечалось, лучшим материалом для нитей и спиралей ламп накаливания. Вольфрам и молибден применяют для изготовления катодов прямого накала, сеток электронных ламп, катодов рентгеновских и газоразрядных трубок, электронагревателей высокотемпературных печей.

Вольфрам применяют как основу псевдосплавов с медью и серебром для электроконтактов и электродов точечной сварки. Вольфрам является также основой «тяжелых сплавов», применяемых для роторов гироскопов, противовесов и др. В виде монокарбида вольфрам широко используется в твердых сплавах в инструментальном производстве. Вольфрам и другие тугоплавкие металлы применяются в качестве особо жаропрочных сплавов.

Вольфрам и молибден находят широкое применение в качестве легирующих элементов в сталеплавильном производстве. В виде дисульфида молибден применяется как твердая смазка. Из пористого тантала изготавливают электрические конденсаторы с твердым электролитом, обладающие высокой электрической емкостью. Тантал обладает хорошей биологической совместимостью с тканями человеческого организма и применяется в костной и пластической хирургии.

Ниобий является перспективным материалом для сверхпроводящих сплавов. Рений обладает хорошими термоэлектрическими свойствами и применяется в виде проволоки для термопар.

Применение бескислородных тугоплавких соединений - карбидов, нитридов, боридов, силицидов и др. открывает широкие возможности для создания новых материалов, способных работать при особо высоких температурах, в агрессивных средах, при высоких давлениях и скоростях. Карбиды тугоплавких металлов, нитриды бора, кремния, алюминия и силициды кремния и бора характеризуются высокими температурами плавления (3000-3500 єC), являются диэлектриками и полупроводниками, обладают высокой твердостью и износостойкостью. Тугоплавкие соединения входят в состав керамикометаллических материалов - керметов.

Для повышения пластичности в состав керметов вводят также металлическую компоненту. Созданы оксидные, карбидные, нитридные, боридные и комбинированные керметы. Они находят применение в качестве огнеупоров, жаропрочных, окалиностойких, кислотоупорных и износостойких материалов в радио- и электротехнике, химической промышленности, ядерной и ракетной технике и в ряде других отраслей. Например, в атомной энергетике применяются керметы, состоящие из диоксида урана и нержавеющей стали или из оксида алюминия и хрома в качестве тепловыделяющих элементов и материалов регулирующих стержней.

Твердые сплавы и сверхтвердые материалы

Керметами являются и твердые сплавы, представляющие собой смесь карбидов вольфрама, титана и тантала с пластичной связкой из кобальта или никеля. Наиболее широко в инструментальном производстве применяются твердые сплавы на основе карбида вольфрама с кобальтом.

Появление твердых сплавов в начале прошлого века позволило резко повысить скорости резания и производительность труда при обработке резанием разнообразных материалов, в том числе чугунов, легированных высокопрочных, нержавеющих, жаропрочных и других специальных сталей, и сплавов, а также многих неметаллических материалов.

...