Порошковая металлургия

Технология порошковой металлургии позволяет получать изделия из одного металла, например, железа (такие изделия назы­вают однокомпонентными), а также из смеси порошков металлов или металлов с неметаллами (многокомпонентные изделия), причем в самых различных сочетаниях. По этой технологии можно получить сплавы из металлов, которые не образуют растворов, не смешиваются в жидком состоянии (железо—свинец, вольфрам—медь и др.), а также из металлов с неметаллами (медь-графит, алюминий—оксид алюминия, карбид вольфрама—кобальт и др.), из некоторых оксидов металлов (Fe₂0₃ и MnO, Fe₂0₃ и №0).

Схема получения изделий из порошков включает следующие основные процессы: получение порошков и подготовка порошковой шихты, получение из порошка консолидированного тела — формова­ние с применением давления и спекание отформованных изделий. Применение различных значений удельной нагрузки при формова­нии определяет получение компактных прессовок различной плот­ности либо пористых изделий.

Такая схема определяет практически безотходную технологию производства и возможность получения изделий с самыми разнооб­разными свойствами. Эти изделия могут быть весьма мягкими и чрезвычайно твердыми, фрикционными и антифрикционными, ма­гнитомягкими и магнитотвердыми, с высокой электрической про­водимостью и высоким электрическим сопротивлением, жаростой­кими и хладостойкими.

Для многих изделий порошковая металлургия является един­ственным способом их получения, например, порошковая металлур­гия незаменима при производстве компактных изделий из вольфрама, молибдена, ниобия, деталей для устройств вычислительной техники и радиоэлектроники (ферриты), для изготовления металлокерамических твердых сплавов, производстве металлических фильтров и многого другого. (Порошковую металлургию называют также метал­локерамикой, что объясняется схожестью одной из основных опера­ций — спекания в порошковой металлургии и обжиге при произ­водстве керамики.)

Внедрение порошковой металлургии дает большой экономический эффект. Отходы металла при традиционных способах обработки (на угар, в прибыли и литниковую систему, в обрезки, окалину, стружку) составляют в среднем более 50 %, а нередко достигают 80 %; при порошковой металлургии отходы практически отсут­ствуют.

Экономия достигается также за счет замены дорогостоящих цветных металлов и легированных сталей, снижения трудоемкости изготовления изделий, а также расхода энергии, транспортных и дру­гих расходов и т. д.

Все это определило широкое внедрение порошкой металлургии во все отрасли машино- и приборостроения.

Изготовление металлических порошков осуществляется главным образом на металлургических заводах и комбинатах, а по­лучение изделий из порошков — на специализированных заводах или в цехах машиностроительных заводов.

Частицы порошков для различных изделий имеют размеры от 0,01 до 1000 мкм, форма частиц зависит от способа производства порошков и может быть тарельчатой, сферической, каплеобразной, губчатой, пористой, дендритной. Порошок можно получить химико-металлургическими и физико-механическими спо­собами.

Химика-металлургические способы связаны с восстановлением металлов из оксидов и других соединений, например, при получении порошков железа, меди, вольфрама (форма частиц порошков губча­тая, пористая) электролитическим осаждением из растворов солей металлов (порошки меди, никеля, кобальта, цинка, свинца, олова, серебра, хрома; форма частиц сферическая), металлотермическим восстановлением (при производстве порошков титана, ниобия, цир­кония, тантала; форма частиц тарельчатая).

Физико-механическими способами металлы измельчают в твердом или жидком состоянии. Распылением жидких расплавов получают порошки алюминия, цинка, меди, легированных сталей, чугунов. Металл расплавляют, как правило, в электропечах. Для распыления используют воздух, азот, аргон; форма частиц при распылении сферическая или каплеобразная. Размол хрупких материалов (фер­росплавов, чугунов, минералов) производят на шаровых или молот­ковых мельницах.

Более вязкие металлы (железо, нержавеющую сталь, хром, никель, их сплавы) подвергают размолу на вихревых мельницах, билы которых вращаются со скоростью до 3000 об/мин; получаемая форма частиц тарельчатая.

Никакой из способов получения порошков не дает частиц одина­ковых размеров, поэтому полученные порошки классифицируют (сортируют) по фракциям ситовым методом для грубодисперсных порошков (от 40 до 1000 мкм); для более тонких фракций (от 0,01 до 80 мкм) седиментационным методом (с использованием зависимости скорости осаждения частиц в жидкости от их размера).

Форма частиц определяет их удельную поверхность и существенно влияет на технологические свойства порошка — насыпную плот­ность, текучесть (скорость высыпания из воронки).

Для очистки порошков от примесей применяют магнитную сепа­рацию, промывку или химическую обработку их. Для снятия на­клепа, повышения пластичности, а также восстановления окислен­ных металлических порошков их отжигают в восстановительной среде, под вакуумом при температуре примерно в два раза меньшей, чем температура плавления этих металлов.

В отличие от упругой среды, которую представляют, например, компактные поликристаллические литые или обработанные давле­нием металлы, мало и упруго изменяющие объем при повышении давления, порошки оценивают как дискретную среду, объемный вес которой изменяется с изменением давления. Дискретность и сжимаемость являются важнейшими свойствами порошков, на основе которых разрабатывается теория обработки порошков дав­лением.