Порошковый способ обработки металла

Про порошковую металлургию — достоинства и недостатки

Процесс порошковой металлургии является относительно новым и имеет ряд преимуществ по сравнению с процессом литья металла. Тем не менее, этот процесс не может полностью заменить функцию литья, имеет свои преимущества и недостатки.

Преимущества порошковой металлургии в том, что качество и эффективность полученного материала получается высокой. В результате процесса можно сделать результирующий материал у которого плотность и температура его плавления будут достаточно высоки.

Недостаток процесса порошковой металлургии заключается в ограниченности формы и точности, которые могли бы быть сделаны.

Порошок для сырья (частицы имеют размер от 0,01 до 500 мкм) — это одна из фундаментальных проблем, которые также необходимо решать. Хотя запасы руды большие, но этот порошок требуется изготовить.
Кроме того чтобы выявить преимущества и недостатки порошковой металлургии необходимо рассмотреть:

• как готовится порошковый материал;
• какие этапы процесса изготовления;
• как должно быть задано давление для того, чтобы можно было получить изделие, которое является достаточно прочным;
• как должны быть заданы температура и время спекания, чтобы полученный связующий атом считался достаточно прочным;
• как конструкция заготовки может быть обработана с помощью порошковой металлургии.

Процесс производства металла порошковой металлургией достаточно известен с 18-го века.

Порошковая металлургия — это процесс формирования заготовки из товарного металла, при котором металл сначала разрушается до образования муки, затем прессуется в пресс-форме и нагревается ниже температуры плавления порошка так, чтобы образовалась заготовка. Так что перемешивание частиц металла обусловлено механизмом переноса массы за счет диффузии атомов между поверхностями частиц. Метод подразумевает скрупулезное отношение к составу и использованию смеси.
Продукт порошка может состоять из смеси порошков различных металлов и других материалов, чтобы увеличить твердость и качество объектов в целом.

Кобальт или железо связывают частицы вольфрама, графит добавляют в металлические подшипники для повышения качества подшипников и т.д.

Этапы производства в порошковой металлургии

Шаги, которые необходимо пройти и чтобы определить преимущества порошковой металлургии, в том числе:

1. Приготовление и изготовление порошка.
2. Смешивание.
3. Формование и уплотнение.
4. Нагрев (спекание).

Существует несколько способов изготовления порошка, среди прочих:

1. Разложение, происходящее в материале, содержащем металлический элемент. Материал будет разлагаться/отделять элементы при нагревании до достаточно высокой температуры. В этом процессе участвуют два реагента, а именно соединения металла и восстановитель. Второй реагент может быть осязаемым твердым веществом, жидкостью или газом.
2. Распыление жидких металлов на сопло, через которое подается под давлением вода, так что образующиеся гранулы являются небольшими.
3. Электролитическое осаждение, изготовление порошков с помощью процесса электролиза, который обычно производит порошок, который является высокореактивным и хрупким. Для этого материала нужно дать специфическую обработку отжига. Форма гранул, получаемых электролитными отложениями — форменная дендритная (форма елочных веточек).
4. Механическая обработка твердых материалов, изготовление порошков с помощью шарового фрезерования. Материал, изготовленный с помощью механической обработки, должен быть материалом, который легко трескается, таким как чистые металлы, висмут, сурьма, металлический сплав, который является относительно твердым и хрупким и керамика.

Смешивание

Смешивание порошка может быть произведено путем смешивания различных металлов и других материалов для обеспечения лучших физико-механических свойств.
Существует два вида смешивания, а именно:

1. Влажное смешивание, которое представляет собой процесс, в котором порошковая матрица и наполнитель смешиваются сначала с растворителем. Этот метод применяется, если используемый материал (матрица и наполнитель) легко подвергается окислению. Цель растворителя состоит в том, чтобы облегчить процесс и покрыть поверхность, чтобы предотвратить возникновение окисления на используемом материале.
2. Сухое смешивание, то есть процесс смешивания осуществляется без использования растворителей, способствующих растворению, и осуществляется на наружном воздухе. Этот метод используется, когда используемый материал нелегко подвергается окислению.

Определяющими факторами однородности распределения частиц являются скорость перемешивания, продолжительность времени перемешивания, размер и тип частиц, температура и среда процесса. Чем больше скорость смешивания тем более однородным получается распределение частиц.Однородность смеси сильно влияет на процесс прессования (уплотнения), поскольку сила сжатия, заданная в момент уплотнения, будет распределена равномерно, так что качество связи между частицами будет лучше.

Прессование (уплотнение)

Прессование-это процесс сдавливания порошка в желаемую форму в соответствии с пресс-формой. Существует 2 вида способа уплотнения, а именно:

1. Холодное прессование, а именно упор без сильного нагревания, но с давлением от 100 до 900 МПа. Этот метод используется, когда используемые материалы легко окисляются, например алюминий.
   Процесс холодного прессования может состоять из прессования штампа который делается на пресс-форме, содержащей порошок. Холодное прессование с упором на порошок комнатной температуры, который имеет одинаковое давление со всех сторон.
   Также применяется прокатка, а именно упор на порошковый металл с использованием прокатного стана.
2. Горячее прессование при температуре выше комнатной. Этот метод используется, когда используемый материал не окисляется.

Суть прессования, чтобы порошок мог прилипать друг к другу до улучшения его связи процессом спекания. В процессе получения сплава методом порошковой металлургии связующий порошок образуется в результате сцепления между поверхностью, взаимодействие путем адгезии и диффузии между поверхностью, которые могут возникать в процессе спекания. Форма предметов, которые снимаются с прессования, так называемые компактные сырьевые материалы, должны напоминать конечный продукт, но его прочность все равно невысока.

Чтобы избежать возникновения разницы в плотности в момент прессования используется смазка, направленная на уменьшение трения между частицами и стенками пресс-формы. При использовании смазочного материала выбирается такой, который не реагирует с порошковой смесью и который имеет низкую температуру плавления, так чтобы в процессе спекания исходный уровень смазочного материала испарился.

В процессе уплотнения возможны 3 модели склеивания:

1. Рисунок склеивающих шариков. Возникает, когда величина заданной силы сжатия меньше предела текучести матрицы и наполнителя, так что порошок не изменяет форму постоянно или деформирует эластичность лучше на матрице и наполнителе, так что порошок остается шарообразным.
2. Узор склеивания мячикового типа. Возникает, когда величина сжимающей силы обеспечивается между пределом текучести матрицы и наполнителя. Это приводит к тому, что один материал (матрица) пластически деформируется, а другой (наполнитель) нет, так что образующиеся частицы как бы формируют шаровое поле.
3. Рисунок зон связи. Возникает, когда величина обеспечиваемой сжимающей силы больше на пределе текучести матрицы и наполнителя. Это приводит к тому, что два материала (матрица и наполнитель) пластически деформируются, так что образующиеся частицы как бы формируют поля.

Нагрев (спекание)

Нагрев при температуре ниже температуры плавления композиционных материалов называется спеканием.

В процессе спекания образуются твердые предметы из–за образующейся связи. Тепло вызывает единство частиц и эффективность реакции поверхностного натяжения повышается. Другими словами, процесс спекания вызывает слияние частиц таким образом, что плотность увеличивается. В ходе этого процесса образуются границы зерен, что является стадией перекристаллизации. Температура спекания обычно составляет 0,7-0,9 от температуры плавления. Время нагрева зависит от типа металла. Окружающая среда непосредственно внутри штампа очень важна, потому что сырье состоит из мелких частиц, которые имеют большую площадь поверхности. Поэтому окружающая среда должна состоять из газа восстановления или азота, чтобы предотвратить возникновения оксидного слоя на поверхности во время процесса спекания.

Параметры спекания включают температуру, время, скорость охлаждения, скорость нагрева, атмосферное спекание и тип материала.
Исходя из характера склеивания, возникающего в процессе сжатия, можно выделить 2 явления, которые могут возникнуть в момент спекания, а именно:

Если в момент уплотнения образуется рисунок склеивания шарикового поля, то в процессе спекания образуется усадка, возникающая из-за того, что в процессе спекания газ (смазка), находящийся на пористости, испытывает дегазацию (выделение газа в момент спекания). А если температура спекания будет постоянно повышаться, то произойдет диффузия на поверхности между частицами матрицы и наполнителя, на которой окончательно образуется жидкий мостик горловины (образуется фазовая смесь между матрицей и наполнителем). Жидкий мостик покрывает пористость.

Возможно при уплотнении образуется сцепление между частицами в виде закрытых объемов, вызывающих улавливание газа/смазки внутри материала. В момент спекания захваченный газ не успел выйти наружу, но жидкий мостик уже произошел, так что путь был закрыт. Газ, попавший в эту ловушку, будет проталкиваться в любом направлении так, что произойдет вздутие (расширение), так что давление будет выше, чем давление снаружи. Если качество связующей поверхности частиц в композиционном материале низкое, то он не сможет выдержать большее давление и произойдут трещины (растрескивание). Трещины также могут возникать в результате процесса менее совершенного уплотнения, наличия теплового удара в момент нагрева за счет теплового расширения матрицы и наполнителя.

Процесс спекания включает в себя 3-ступенчатый нагревательный механизм:

1. Предварительное спекание-это процесс нагрева, который направлен на:
   — уменьшение остаточного напряжения вызванного процессом уплотнения
   — вытеснения газа или твердой смазки, которая задерживается в пористости композиционного материала (дегазация). Не применяется слишком быстрое изменение температуры во время процесса спекания чтобы избежать тепловой удар. Температура предварительного спекания обычно проводится на 1/3 температуры плавления.
2. Диффузионная процедура
   В процессе нагрева до возникновения массопереноса на поверхности между частицами порошка, взаимодействующими друг с другом, делают падатемпературное спекание (2/3 ). Атомы на поверхности частиц диффундируют между поверхностью, тем самым увеличивая прочность материала.
3. Устранение пористости
   Конечной целью процесса спекания на основе является получение материала, обладающего высокой прочностью. Именно из-за наличия диффузии между поверхностью частиц порошка, возникает горловина (жидкий мост) между частицами. Нагрева приводит к устранению пористости (образованию спеченной плотности).

На момент финишной обработки пористость полностью спеченного материала все еще значительна (4-15%). Для улучшения свойств могут проводить термообработку.

Преимущества и недостатки порошковой металлургии

Преимущества процесса порошковой металлургии, среди прочих:

• способность контролировать качество и количество материала;
• обработка использует низкую температуру поэтому энергоэффективность производства высокая;
• скорость получения продукта высокая;
• процесс экономичный, потому что никакой материал не тратится впустую во время обработки.

Недостаток порошковой металлургии, в том числе:

• стоимость изготовления и хранения порошка дорогая;
• невозможно получить критически важные допуски, так как металлический порошок не способен перетекать в литейное пространство;
• трудно получить равномерную плотность.

Заключение

Можно сделать вывод, что порошковая металлургия представляет собой процесс формирования заготовки из товарного металла, при котором металл сначала разрушается в виде муки, затем мука прессуется в пресс-форме и нагревается ниже температуры плавления порошка таким образом, чтобы образовалась заготовка.
Этапы, которые необходимо пройти по порошковой металлургии, среди прочих: подготовка и изготовление порошков, смешивание (перемешивание), упор (уплотнение) и нагрев (спекание).

Источник

Изделия из металлических порошков

Вопросы, рассмотренные в материале:

• Что собой представляет порошковая металлургия и в чем ее плюсы
• Какими свойствами обладают свойства металлических порошков
• В чем заключается технологический процесс производства металлических порошков
• Какие изделия производят из металлических порошков

Для производства высококачественных деталей, предназначенных для машиностроения, радиоэлектроники и прочих областей промышленности, используются изделия из металлических порошков. Технология дает возможность формировать заготовки, спекать и окончательно обрабатывать изделия (включая калибровку, доуплотнение, выполнение чистовой механической обработки, термообработки и т. п.). Для готовых деталей, получаемых таким способом, характерны высокая прочность, соответствие заданным размерам и конфигурации. В этой статье подробнее остановимся на качествах металлопорошковых изделий.

Что собой представляет порошковая металлургия и в чем ее плюсы

Порошковая металлургия используется в том случае, когда отсутствует возможность создания нужных деталей или материалов при помощи традиционных методов металлообработки либо металлопорошковый способ производства оказывается экономически более целесообразным. Металлопорошковая технология помогает в создании композиционных материалов, имеющих риботехническое (речь о подшипниках скольжения, фрикционных накладках и дисках), электротехническое (контакты, магнитотвердые и магнитомягкие изделия) и инструментальное (твердые сплавы) назначение, а также конструкционных деталей (втулок, колец, храповиков, шестерней, крышек подшипников, кулачков и др.) и т. п.

Среди преимуществ создания изделий из металлических порошков следует отметить:

• Снижение затрат на финальную обработку заготовки. В большинстве случаев изделия из металлических порошков имеют окончательные размеры и не требуют дополнительной механической обработки либо нуждаются в минимальной чистовой отделке, позволяющей добиться высокой точности изделий. Такая технология особо эффективна при создании деталей, имеющих сложную геометрическую форму.
• Возможность изготовления деталей, обладающих регулируемой пористостью (фильтров, катализаторов, глушителей шума и пр.).
• Возможность создания градиентных и композиционных материалов, получение которых при использовании традиционных технологий невозможно.

Основными сферами, в которых нашли применение изделия из механических порошков, являются автомобильная промышленность (на которую приходится примерно 70 % всего объема продукции), области приборостроения, производство бытовой техники.

В 1999-2000 гг. Европейская Ассоциация порошковой металлургии провела статистические исследования и, проанализировав собранные данные, сделала вывод о том, что изготовление 1 000 тонн изделий из металлических порошков позволяет сэкономить 1 500–2 000 тонн металла, высвободить 50 металлорежущих станков, на 120 000 нормочасов снизить трудоемкость работ, более чем в 1,5 раза повысить производительность труда. Еще одним преимуществом порошковых деталей является их себестоимость, которая в среднем в 2-2,5 раза ниже, чем себестоимость изделий из металлического проката.

В 2000 году металлообрабатывающими предприятиями всего мира (за исключением предприятий стран СНГ) было выпущено более 700 000 тонн изделий из металлических порошков. Расширился ассортимент создаваемых по данной технологии деталей, стало возможным производство из металлокерамики шатунов двигателей, крышек подшипников, колец синхронизаторов КПП, роторомасляных насосов, седел клапанов, кулачков распределительных валов, узлов АКПП и т. п.

Рекомендуем статьи по металлообработке

С развитием этой металлообрабатывающей отрасли повышается качество исходных материалов, благодаря чему улучшается плотность и прочность готовых изделий и материалов; усложняются формы и увеличивается размерная точность деталей; повышаются механические и функциональные характеристики готовой продукции.

Решению поставленных перед отраслью задач способствует создание оборудования, обладающего высокой формовочной точностью и повышенной производительностью, открытие новых технологических процессов производства изделий из металлических порошков.

На сегодняшний день эта отрасль металлообработки позволяет не только экономить ресурсы, но эффективно создавать материалы, обладающие уникальными свойствами, что невозможно при использовании традиционных способов работы с металлами.

Свойства металлических порошков

Технологическая пригодность металлических порошков, как и любых других материалов, определяется их стандартными характеристиками, среди которых:

• пикнометрическая плотность, зависящая от химической чистоты и уровня пористости порошка;
• насыпная плотность, под которой понимают массу порошка, получаемую при свободном наполнении емкости заданного объема;
• текучесть порошков, определяемая в зависимости от скорости наполнения емкости определенного объема (этот параметр имеет существенное значение, поскольку влияет на производительность последующего прессования);
• пластичность, под которой понимают свойство порошка принимать и сохранять определенную форму.

Независимо от того, каким способом получен металлический порошок, его дальнейшая обработка выполняется за счет давления и применения специальных пресс-форм.

Форма изделиям из металлических порошков придается при помощи прессования с использованием пресс-форм, прокатки и шликерной формовки.

Технология шликерной формовки аналогична формовочному литью, с ее помощью изготавливают втулки, оси, штуцеры, валики и др.

Технологический процесс производства металлических порошков

Прежде чем приступить к производству металлокерамических деталей, необходимо изготовить порошки. Различия во фракциях и размерах готовых измельченных частиц обусловлено разными способами производства.

Методы получения порошков делятся на две большие группы:

• В основе физико-механических методов изготовления металлических порошков лежит измельчение твердых или жидких частиц металла механическим способом. Эта группа технологий сочетает в себе обработку за счет статических и ударных нагрузок.
• При использовании химико-металлургических методов изменяют фазовое состояние исходного материала. Модификация достигается за счет восстановления окислов и солей, электролиза, термической диссоциации карбонильных соединений.

Получение металлических порошков возможно одним из следующих способов:

• Шаровым. При этом происходит дробление и перетирание металлических обрезков и стружки при помощи шаровой мельницы.
• Вихревым. В этом случае в специальных мельницах насосами нагнетается воздушный поток, под воздействием которого металлические частицы сталкиваются друг с другом. Зерна готового порошка имеют блюдцеобразную форму. Качество готового материала весьма высокое.
• При помощи специальных дробилок, измельчающих частицы металла за счет ударного воздействия падающего груза.
• Распылением. Этот способ подходит для работы с легкоплавкими металлами. Жидкий сплав распыляют за счет потока сжатого воздуха, а затем измельчают при помощи быстровращающегося диска.
• Электролизом. Для восстановления металла используется электрический ток. В результате хрупкость металла повышается, что позволяет измельчать его в мельнице до порошкообразного состояния. Готовые зерна имеют дендритную форму.

1. Физико-механические методы.

Для получения порошка с нужными фракциями используются центробежные мельницы.

Промежуточным этапом является первичное измельчение, для которого используются конусные и валковые дробилки, позволяющие измельчить металл до частиц размером не более 1 см.

В зависимости от используемой технологии процесс занимает от одного часа до трех-четырех суток. При необходимости ускорения производства прибегают к помощи вибрационных мельниц.

Процесс измельчения при помощи таких мельниц отличается большей интенсивностью, поскольку прилагаются режущие усилия, а также создается переменное напряжение. Размер получаемых зерен варьируется от 0,009 до 1 мм.

Повышению производительности процесса измельчения металлических частиц способствует жидкостное воздействие, благодаря которому металл не распыляется. При этом объем используемой жидкости составляет около 40 % от массы обрабатываемого вещества.

Твердосплавные частицы измельчаются при помощи центробежных мельниц. К недостаткам этого типа мельниц относится периодичность работы.

При помощи физико-механических методов нельзя измельчать высокопластичные цветные металлы. Для работы с пластичными материалами используются вихревые мельницы, измельчающие частицы за счет ударов друг о друга.

2. Химико-металлургические методы.

Наиболее распространенным способом изготовления металлических порошков является восстановление железа, выполняемое при помощи рудных окислов или окалины, которая является продуктом горячей прокатки. При этом важное значение имеет количество газообразных соединений в порошке.

Если их количество будет выше допустимой нормы, то готовый порошок будет излишне хрупким, что не позволит его в дальнейшем прессовать. Если превышение нормы все же произошло, излишняя часть газов удаляется при помощи вакуумной обработки.

Наиболее простым и дешевым способом является тот, в основе которого лежат распыление и грануляция. Для измельчения металла используются струи расплава либо инертного газа, распыляемые при помощи форсунок. Температуру и давление газового потока можно регулировать, для охлаждения используется вода.

Медные порошки с высокой степенью чистоты чаще всего получают за счет электролиза.

Какие изделия производят из металлических порошков

Технологические методы, позволяющие получать порошки, весьма многочисленны и разнообразны. Благодаря этому возможно изготовление изделий из металлических порошков, обладающих нужными свойствами и составом.

Технология порошковой металлургии дает возможность создавать новейшие композитные материалы, которые невозможно произвести иными способами. Порошковое покрытие металлических изделий позволяет экономно использовать материалы из-за их более низкого расходного коэффициента.

Без изделий из металлокерамических порошков сегодня не обходятся такие сферы промышленности, как приборо- и машиностроение, радиоэлектроника, изготовление инструментов, включая сверла, резцы.

На сегодняшний день изготовление металлопорошковых изделий автоматизировано, в связи с этим не требуется наличия на предприятии высококвалифицированных кадров. Эти факторы снижают себестоимость готовых металлических изделий.

Если пористость порошков находится в пределах нормы, то их коррозионная стойкость аналогична этому показателю у деталей, произведенных традиционными способами.

Изделия, изготовленные из металлических порошков, устойчивы к резким перепадам температур, что обуславливает сферу их использования.

• Детали узлов трения.

Благодаря пористой структуре изделия из металлических порошков хорошо удерживают смазку.

Именно поэтому металлопорошковые материалы используются для производства деталей, подвергающихся повышенному трению в процессе эксплуатации (подшипников скольжения, направляющих втулок, вкладышей, щеток электродвигателей).

Поскольку порошковые подшипники имеют пористую структуру, их можно пропитать смазочными материалами. В дальнейшем смазка начнет выходить на поверхность подшипника и перейдет на соприкасающиеся детали. Подобные подшипники называют самосмазывающимися.

Они обладают следующими преимуществами:

• экономичностью (снижают расход смазки);
• износостойкостью;
• экономией на материалах (железо используется вместо дорогой бронзы и баббита).

Пористость изделий в процессе их изготовления можно усиливать путем добавления в металлические порошки графита, характеризующегося отличными смазывающими качествами. Подшипникам, в которых содержится высокий процент графита, смазка не требуется вовсе.

• Композитные материалы.

Высокотехнологичные машины и аппаратура комплектуются деталями и элементами, изготовленными из композитных материалов. Развитие высоких технологий повлекло за собой активное развитие металлопорошкового производства. В отличие от сплавов, композитные материалы могут состоять из различных компонентов, как металлических, так и неметаллических.

При помощи традиционных способов металлообработки, к примеру, плавления в металлургических печах, нельзя получить соединения вольфрама и меди. Производство компонентных материалов помогает решить эту проблему.

Для того чтобы изготовить композитные материалы, нужные компоненты просто смешивают друг с другом, затем придают им необходимую форму при помощи пресса, после чего спекают.

Среди композитных материалов можно также отметить ядерное топливо.

• Твердые сплавы.

Благодаря современным технологиям можно получать твердосплавные изделия за счет добавления в их состав карбидных включений. Не секрет, что чем выше содержание в металле углерода, тем более твердым он является.

Карбид повышает вязкость порошков, при этом не отражаясь на его прочностных характеристиках. Металлокерамические детали отличаются повышенной износостойкостью, поэтому именно из них изготавливают режущие инструменты, твердосплавные матрицы и пуансоны, при помощи которых выполняется листовая штамповка металлов.

• Контактные материалы.

Металлические ферромагнитные порошки используются также для создания электроконтактных материалов, т. е. электрических контактов, без которых невозможен выпуск электронных и радиотехнических деталей.

Возможно использование металлических порошков и в других сферах.

Благодаря устойчивости к воздействию высоких температур, порошки оптимальны для производства различных тормозных механизмов. Для повышения жаростойких качеств в металлокерамику добавляют хром, никель и вольфрам.

Для производства абсолютного большинства современных магнитных изделий используются порошки из металла. За счет инновационных технологий железо можно соединять с разного рода силикатами.

Изделия из металлических порошков применяются для создания фильтрующих устройств для газов и горючих веществ.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Источник