8.4. Матеріали на основі порошкової металургії

Останнім часом в практику широко впроваджується порош­кова металургія або металокерамічне виробництво порошків і металоподібник сполук, а також напівфабрикатів і виробів з них без плавлення компонентів. Виготовлення деталей способами по­рошкової металургії економічно вигідне, оскільки можна вигото­вити матеріали зі спеціальними властивостями, які за допомогою інших технологій виготовити неможливо. Такі деталі містять меншу кількість домішок, точніше відповідають заданому хімічному складу, внаслідок чого підвищуються їх механічні вла­стивості порівняно з деталями, хімічний склад і густина яких такі ж, але виготовлені плавленням. На виготовлення деталей спосо­бами порошкової металургії витрачається в (3...4)рази менше ме­талу, продуктивність праці підвищується в (2...3)рази, собівартість продукції зменшується в (1,5. ..2) рази.

До процесу виготовлення деталей способами порош-кової ме­талургії входять такі операції: підготовка порош-ків чистих ме­талів або суміші порошків для складання шихти потрібного

378

хімічного складу і властивостей; формування (пересування) ших­ти необхідної форми, розмірів та інших вимог, які ставляться до заготовок; спікання (термічна обробка) та кінцева обробка.

Порошкова металургія займається виробництвом порошків і виробів з них. Порошковою металургією отримують нові конст­рукційні матеріали, які називають металокерамікою.

Зараз порошкова металургія набула широкого розвитку в ба­гатьох країнах Світу. Порівняно з традиційними способами виго­товлення заготівок — різанням, литтям, тиском — вона майже безвідхідна. Так, відходи при виготовленні деталей різанням із за­готівок, отриманих литтям, становлять (20...80)%, а в процесі виго­товлення їх порошковою металургією — всього 5-10%. У разі ви­користання цієї технології виготовлення деталей кількість техно­логічних операцій значно скорочується. Крім того можна отриму­вати матеріали та вироби з наперед заданими властивостями — високою твердістю, зносостійкістю, жароміцністю, стабільними магнетними властивостями. Ще одна важлива перевага порошко­вої металургії — за її допомогою можна отримувати такі штучні матеріали та вироби з них, які не можна виготовити іншими спо­собами. Якщо порівняти втулки бронзової вальниці, виготовлені литтям і спіканням з порошків, то перевага буде на боці останньої. У процесі спікання в матеріалі утворюються шпари, в які заходить мастило. Саме тому такі деталі довговічніші й мають нижчий ко­ефіцієнт тертя. Ефект зростає, якщо до складу шихти додати графіт або іншу мастильну речовину. Заміна мастильних ма­теріалів у шихті на фрикційні дає можливість отримати матеріали, з яких виготовляють муфти зчеплення. Деталі для гальм тощо.

Ефективність порошкової металургії збільшується за умов масового виготовлення виробі. Із збільшенням випуску виробів собівартість порошкових виробів зменшується порівняно із собівартістю виробів, отриманих литтям.

Порошкова металургія забезпечує машинобудівну промис­ловість конструкційними, фрикційними й антифрикційними ма­теріалами; електротехнічну й електронну — магнітами, катода­ми, резисторами; інструментальну та добувну промисловості — твердими та надтвердими сплавами; авіаційну та космічну техніку, атомну та металургійну промисловості — хімічно- та термічно стійкими матеріалами, каталізаторами, вогнетривами. Але основна маса продукції порошкової металургії (60...70%) ви­користовується в автомобілебудуванні.

379

Способи виготовлення порошків. Виробництво порошків — складова частина технологічного процесу порошкової мета­лургії. Порошки виробляють механічними та фізико-хімічними способами. Такий поділ умовний.

Механічні способи виготовлення порошків (подрібнення, роз-мелення, розпилення) приводять до зміни розмірів та форми час­тинок. Хімічний склад отриманої продукції, якщо не враховува­ти забруднення матеріалами, з яких виготовлено обладнання, за­лишається без зміни.

ФЬико-хімічні способи (відновлення, дисоціація) характеризу­ються тим, що хімічний склад отриманого порошку значно відрізняється від складу сировини.

Іноді для підвищення економічності або поліпшення власти­востей порошків застосовують комбіновані способи їх виготов­лення. Так, у ході розпилення розплавлений метал спочатку гра­нулюють, а потім відпалюють у середовищі водню. У процесі еле­ктролізу отримують щільні, але крихкі частинки, які потім розме­люють. У промисловості найширше застосовують способи відновлення з оксидів і розпилення.

Спосіб отримання порошку впливає на форму та розмір час­тинок, його властивості та вартість. Порошки одного й того са­мого хімічного складу, але отримані різними способами відрізня­ються розмірами та формою частинок, плинністю. Чим дрібніший порошок, тим більша кількість частинок міститься в одному й тому самому об'ємі, а відповідно збільшиться й тертя частинок у ході пресування, що приводить до нагрівання части­нок. Вони стають пластичнішими та міцніше схоплюються між собою. Надто дрібний порошок швидше окиснюється, а це часто спричиняє зменшення міцності виробів. Тому вибір способу ви­робництва порошку залежить від сировини, способу пресування, спікання, а також призначення отриманої деталі.

Властивості порошків. Порошки характерезуються фізичними, хімічними та технологічними властивостями. Ос­новні з них регламентуються стандартами та технічними умова­ми. Технологічні властивості порошків основні. До них належать насипна маса, плинність, здатність пресуватись І формуватись.

Чим більші за розміром частинки і точніша їх форма, тим більша насипна маса порошку. Залежно від способу отримання порошку насипна маса порошку одного й того самого матеріалу буде різною.

380

Плинністю називають швидкість проходження порошку че­рез отвір певного діаметра. Ця властивість порошку впливає на рівномірність заповнення прес-форми порошком і швидкість ущільнення в ході пресування. Чим менший розмір частинок, тим гірша плинність.

Здатність пресуватись — це здатність ущільнюватись і набу­вати форми під дією зовнішніх сил.

Здатність формуватись — це здатність виробу зберігати свою форму після ущільнення за мінімального тиску.

Усі ці властивості впливають на кінцевий результат порошко­вої металургії, яким є виріб.

Для пресування виробів шихта складається з порошків і спеціальних речовин (каучук, бензин, парафін, графіт тощо). По­рошки подрібнюють, очищають, додають спеціальні речовини і все разом перемішують.

Підготовлення шихти — дуже важлива операція технологічно­го процесу, оскільки на поверхні порошків є оксидні плівки, моле­кули води, мастил та інших речовин. Вони потрапляють на по­верхню порошків у процесі їх виготовлення та транспортування.

Незначний вміст названих речовин у порошку згубно діє як на технологічні, так і на експлуатаційні властивості виробів. Так, вміст оксидів на поверхні порошку, з якого виготовляють радіодеталі, має не перевищувати 1%, інакше деталі матимуть де­фекти. Оксиди хрому, кремнію, алюмінію погіршують пресуван­ня порошків та спікання виробів. А наявність водню, азоту, окси­ду вуглецю збільшують ще й крихкість, особливо порошків туго­плавких металів. Чим дрібніше помелені порошки, тим вони більше забруднені. Щоб запобігти забрудненню порошків, їх зберігають у щільно закритих контейнерах, заповнених інертним газом. Це дорогий спосіб зберігання порошків. Тому в більшості випадків порошки перед використанням очищають. Наприклад, проводять відпалення в печах із використанням відновної атмо­сфери. Ця операція не лише очищає порошок від оксидних плівок, а й підвищує його технологічні властивості.

Щоб полегшити формування та спікання виробів, до порошку додають спеціальні речовини. Так, до порошків, з яких отримують тверді сплави, додають розчин каучуку в бензині або парафіні, до порошків із сталі — веретенне мастило або олеїнову кислоту,

У процесі виробництва антифрикційних деталей до шихти до­дають графіт, для фільтрів — карбонат алюмінію або натрію. У

381

ході спікання виробів, виготовлених із шихтових матеріалів, в яких містяться також леткі речовини, виділяється значна кіль­кість газів, що призводить до утворення закритих шпар. Перемі­шують шихтові матеріали у млинах, змішувачах тощо.

Порошки шкідливі для здоров'я; можуть самозайматися. То­му під час роботи з порошками потрібно користуватись респіра­торами, а приміщення обладнати вентиляцією.

Виріб, отриманий з порошку, називають порошківкою. Най­поширенішим способом формування порошківок є холодне та гаряче пресування, вальцювання та шлікерне лиття.

Рис. 8.2. Схема пресування порошків: а — однобічне; б — двобічне

1. Пресування. Вироби пресують у прес-формах. Зусилля при­кладають з одного або з двох чи більше боків.

Однобічне пресування (рис. 8.2, а) застосовують для виготов­лення виробів простої форми (втулки, кільця тощо).

Під дією пуансона 1 порошок 2 ущільнюється, деформується і навіть частинки руйнуються. Внаслідок впливу сил тертя порошку об стінки прес-форми 3 прикладене зусилля розподіляється нерів­но-мірно, що спричинює нерівномірність густини матеріалу та погіршення якості виробу. Чим більше відношення висоти виробу до його діаметра, тим більшим буде коливання густини матеріалу.

Двобічне пресування (рис. 8.2, б). У процесі двобічного пресу­вання два пуансони рухаються назустріч один одному. Цим спо­собом пресування виготовляють вироби, в яких відношення висо­ти до діаметра перевищує два. Внаслідок зустрічного руху двох пуансонів збільшується рівномірність розподілу густини части­нок порошку за висотою. Для досягнення однакової середньої гу-

382

стини порошку прикладають зусилля, яке на (30...40)% менше, ніж у ході од­нобічного пресування. Для отримання виробів складної форми використову­ють машини з кількома пуансонами.

Мундштукове пресування (рис. 8.3) застосовують у випадку отримання ви­робів, довжина яких значно перевищує діаметр (прутки, труби тощо). Ці виро­би виготовляють із порошків, які важ­ко пресуються (порошки берилію, вольфраму, тощо).

Процес отримання виробів полягає в тому, що порошок, який перебуває в порожнині контейнера 2, витискається пуансоном / через отвір мундштука матриці 3. Профіль отриманого виро-

Рис. 8.3. Схема мундштукового пресування порошків

бу визначається формою отвору мундштука і може бути як про­стим, так і складним.

Щоб підвищити густину матеріалу майбутнього виробу, ви­користовують вібрацію, яка до порошку передається через кон­тейнер або пуансон. За допомогою вібрації в кілька разів можна зменшити зусилля на пуансоні.

Гаряче пресування характеризується суміщенням двох процесів: пресування та спікання виробів. У процесі нагрівання порошку до високих температур (майже до температури спікання) підвищу­ється його пластичність, тому тиск у ході пресування значно ниж­чий. Гарячим пресуванням можна отримати вироби з. порошків, які важко пресуються. Це порошки жароміцних матеріалів, твердих сплавів і чистих трудноплавких металів (вольфрам, молібден).

2. Вальцювання. Цей спосіб виготовлення порошківок є еко­номічно вигідним. Вироби виготовляють безперервним форму­ванням, а потім спікають. Цим способом отримують стрічку та прутки. Вальцювання можна проводити у вертикальному та го­ризонтальному напрямках (рис. 8.4).

У процесі вальцювання у вертикальному та горизонтальному напрямі (рис. 8.4, а, б) порошок 2 з бункера 1 безперервно надхо­дить у зазор між валками 3. У ході обертання валків порошок об­тискається і витягується в стрічку або лист певної товщини 4. За­стосовуючи бункер 5 з однією (рис. 8.4, в) або кількома перего-

383

Рис. 8.4. Схеми способів вальцювання порошків: а — вертикаль­ний; б — горизонтальний; в — вертикальний для виготовлення

родками, можна отримати дво- або багатошарові вироби (стрічки, листи) з різних за складом матеріалів.

На сьогодні вальцюванням отримують листи товщиною 0,025-3 мм і шириною до 300 мм і прутки різного профілю.

3. Шлікерне лиття. Його застосовують для виготовлення ви­робів складної форми (наприклад, лопаті турбін) із крихких і твердих порошків (карбідів, силіцидів, нітридів тощо).

Шлікером називають суспензію порошку та рідини, яку зали­вають у гіпсову або керамічну форму.

Рідина із шлікера виходить крізь шпари у формі, а в середині неї утворюється виріб. Підсушений виріб витягують із форми, для чого форму руйнують. Після остаточного висушування виріб спікають.

Вироби, отримані з порошків, мають малу міцність. Щоб на­дати їм великої міцності та твердості. їх спікають.

1. Спікання виробів. Спіканням називають відпалення ви­робів за температура, яка становить (0,7...0,8) температури плавлення основної складової шихти.

Час спікання становить (1...2) години. Під час спікання у ви­робах відбуваються складні фізико-хімічні процеси (відновлення оксидів, дифузія, рекристалізація, зняття залишкових напру­жень), поліпшуються механічні властивості тощо.

Спікання процес — досить тривалий, який потребує великих затрат енергії. Щоб скоротити час спікання, використовують ультразвук, магнітне поле тощо. До хімічних чинників, які при­скорюють процес спікання, належать відновно-оксидні реакції.

384

Важливу роль відіграє склад атмосфери, в якій проводять спікан­ня. Атмосфера може бути захисною або відновною. Це водень, дисоційований (лат. dissociatio, від dissocio — роз'єдную) амоніак. Ефективним є також вакуум. Використання вакууму підвищує собівартість виробів. Тому у вакуумі спікають лише ви­роби, виготовлені з порошків титану, танталу, ніобію, берилію.

Спікання проводять у печах різного типу, які працюють періодично та безперервно. Печі періодичної дії використовують у ході спікання невеликих партій порошкових виробів. У процесі масового виробництва виробів використовують методичні печі безперервної дії (конвеєрні, з рухомим черенем тощо).

2. Викінчування виробів. У разі потреби порошкові вироби викінчують. Викінчення складається з таких операцій: калібру­вання, різання, термічна та хіміко-термічна обробка, повторне спікання тощо. У процесі калібрування уточнюють розміри ви­робів, ущільнюють і полірують їх поверхні тощо.

Різання (точіння, свердління, фрезування тощо) застосовують тоді, коли пресуванням не можна виготовити вироби потрібної форми та розмірів, для нарізання внутрішньої та зовнішньої різі, отримання вузьких, але глибоких отворів тощо.

У процесі різання користуються інструментами, виготовлени­ми з надтвердих сплавів або алмазів.

Термічну та хіміко-термічну обробку порошківок проводять так само, як для металів і сплавів.

Повторне пресування проводять тоді, коли в ході першого пресування не можна отримати виріб складної форми.