Порошковая металлургия, область науки и техники, охватывающая совокупность методов изготовления порошков металлов, сплавов и металлоподобных соединений, полуфабрикатов и изделий из них или их смесей с неметаллическими порошками без расплавления основного компонента.
Практика изготовления металлических порошков и спеченной металлической губки (крицы), получаемых восстановлениемоксидовметалловуглеродом, известна с глубокой древности. Порошковое золото применяли для декоративных целей за 3000-3500 лет до нашей эры. Железные орудия, найденные при раскопках в Египте и Вавилоне, были изготовлены с использованием отдельных методов порошковой металлургии
Общепризнанным основоположником современного этапа развития порошковой металлургии считается русский ученый П.Г. Соболевский, разработавший совместно с В.В. Любарским в 1826-27 метод изготовления изделий из порошка платины. Впоследствии порошковая металлургия развивалась с нарастающим ускорением, т. к. позволяла получать изделия с уникальными свойствами, возможность изготовления которых др. способами была исключена. К таким изделиям относятся, например, фильтры, пористые подшипники; методами порошковая металлургия получают также материалы с заданной структурой, материалы, состоящие из металлов и оксидов, металлов и полимеров и др.
Порошковая металлургия включает следующие основные группы технологических операций: получение исходных металлических порошков и приготовление из них шихты (смеси); компактирование порошков (или их смесей) в заготовки; спекание.
Получение. Порошки, используемые в порошковой металлургии, состоят из частиц размером 0,01-500 мкм. Получают порошки металлов (или их соединений) механическими и физико-химическими методами. К механическим методам относят измельчение твердых металлов или их соед. и диспергирование жидких металлов или сплавов. Твердые тела измельчают в мельницах с мелющими телами (барабанные вращающиеся, вибрационные, планетарные мельницы), ударного действия (вихревые, струйные, центробежные) и с вращающимися частями (аттриторы, дисковые, кавитационные, молотковые, роторные). При измельчении в мельницах хрупких материалов частицы порошка имеют осколочную форму, при измельчении пластичных материалов-чешуйчатую. Измельченные порошки характеризуются наклепом (изменением структуры и свойств, вызванным пластической деформацией) и, как правило, подвергаются отжигу.
Диспергирование, или распыление, жидких металлов и сплавов осуществляют струей жидкости или газа. При распылении водой под высоким давлением используют форсунки разных форм. Свойства распыленных порошков зависят от поверхностного натяжения расплава, скорости распыления, геометрии форсунок и других факторов. Распыление водой часто проводят в среде азота или аргона. Распылением водой получают порошки железа, нержавеющих сталей, чугунов, никелевых и др. сплавов. При распылении струи расплава газом высокого давления на размер частиц влияют давление газа, диаметр струи металла, конструкция форсунки, природа сплава. В качестве распыляющего газа используют воздух. азот, аргон, водяной пар. Распыление металла осуществляют также плазменным методом или путем разбрызгивания струи металла в воду. Такими способами получают порошки бронз, латуней, олова, серебра, алюминия и др. металлов и сплавов.
Физико-химические методы получения металлических порошков включают: восстановление оксидовметалловуглеродом. водородом или углеводородсодержащими газами; металло-термические способы - восстановление оксидов, галогенидов или других соединений металлов др. металлами; разложение карбонилов металлов, металлоорганических соединений; электролиз водных растворов и расплавов солей. Порошки металлоподобных соединений получают теми же методами и, кроме того, синтезом из простых веществ.
Путем восстановления оксидовметаллов производят порошки Fe, Co, Ni, W, Mo, Cu, Nb и других металлов. Частицы порошков имеют развитую поверхность. Разложением карбонилов металлов получают порошки Ni, Fe, W, Mo со сферической формой частиц. Электролиз водных растворов солей металлов применяют для приготовления порошков Fe, Cu, Ni, а электролиз расплавов солей - для получения порошков Ti, Zr, Nb, Та, Fe, U. В обоих случаях частицы порошков имеют дендритную форму.
Компактирование. Цель компактирования порошков - получение полуфабрикатов (прутки, трубы, ленты) либо отдельных заготовок, по форме приближающихся к конечным изделиям. Во всех случаях после компактирования порошок из сыпучего тела превращается в пористый компактный материал, обладающий достаточной прочностью для сохранения приданной ему формы при последующих операциях.
Основные виды компактирования - одно- и двустороннее прессование в жестких металлических матрицах, прокатка, изостатическое прессование жидкостью или газом, мундштучное прессование, шликерное литье, высокоскоростное прессование, в т. ч. взрывное, инжекционное формование. Компактирование может осуществляться при комнатной температуре (холодное прессование, прокатка) и при высоких температурах (горячее прессование, экструзия, прокатка).
Уплотнение порошка при прессовании происходит в результате движения частиц друг относительно друга, их послед. деформации или разрушения. При относительно больших давлениях порошки пластичных металлов уплотняются в основном благодаря пластической деформации, порошки хрупких металлов и их соединений - в результате разрушения и измельчения частиц. Спрессованные заготовки из порошков пластичных металлов гораздо более прочны, чем из хрупких. Для увеличения прочности последних в порошок перед прессованием вводят жидкое связующее.
Б. ч. порошков, особенно при производстве массовых изделий простой формы, прессуется в жестких металлических матрицах (прессформах) с использованием таблетировочных, ротационных и других механических и гидравлических прессов-автоматов. После заполнения матрицы порошок прессуется под давлением одного или нескольких пуансонов.
Прессование прокаткой - это непрерывное формование заготовок из порошков при помощи валков на прокатных станах. Подача порошка в валки может осуществляться под действием силы тяжести или принудительно. В результате прокатки получают пористые листы, ленты, профили.
При изостатическом прессовании порошок или пористые заготовки помещают в оболочку и подвергают всестороннему обжатию. Процесс включает заполнение оболочки, ее вакуумирование и заделку, собственно изостатическое прессование и декомпрессию оболочки. Разновидности изостатического прессования - гидро- и газостатическое прессование, рабочими средами (передающими давление) в которых служат соотв. жидкости или газы. Гидростатическое прессование производят, как правило, при комнатной температуре; газостатическое - при высоких температурах. С помощью изостатического прессования получают изделия сложной формы с максимально равномерной плотностью по всему объему.
Формование заготовок из смесей порошка с пластификатором путем продавливания их через отверстие в мундштуке или фильеру наз. мундштучным прессованием. Оно позволяет получать длинные заготовки с равномерной плотностью из труднопрессуемых порошков хрупких металлов и соединений. Пластификатор обеспечивает достаточную вязкость смеси и прочность заготовки.
Шликерное литье формование изделий из шликеров, представляющих собой однородные концентрир. суспензии порошков, обладающие высокими агрегативной и седиментационной устойчивостью, хорошей текучестью. Основные разновидности шликерного литья - литье в пористые формы, литье из термопластичных шликеров (горячее литье) и формование электрофоретическим методом. При литье в пористые формы поток всасывающейся в поры жидкости увлекает за собой частицы порошка, которые оседают на стенках пор формы. Термопластичный шликер при обычных условиях состоит из порошка и твердого термопластичного связующего. Смесь нагревают до температуры, при которой связующее становится вязким, заполняют форму вязким шликером и затем охлаждают до затвердевания массы. При электрофоретическом методе формование происходит путем постепенного наращивания слоя из частиц шликера, перемещающихся под воздействием электрического поля к электроду - форме и осаждающихся на ней.
Высокоскоростное (динамическое, импульсное, ударное) прессование осуществляют путем высокоскоростной деформации порошка. К нему относят взрывное, гидродинамическое, магнитно-импульсное прессование, некоторые виды ковки и штамповки, прессование на быстроходных прессах, копрах, молотах.
Спекание. Конечная операция порошковой металлургии -спекание - заключается в термообработке заготовок при температуре ниже температуры плавления хотя бы одного из компонентов. Его проводят с целью повышения плотности и обеспечения определенного комплекса механических и физико-химических свойств изделия. На начальной стадии спекания частицы проскальзывают друг относительно друга, между ними образуются контакты, происходит сближение центров частиц. На этой стадии скорость увеличения плотности (усадки) максимальна, но частицы еще сохраняют свою индивидуальность. На следующей стадии пористое тело м. б. представлено совокупностью двух взаимно проникающих фаз - фазы вещества и "фазы пустоты". На заключительной стадии пористое тело содержит изолированные поры и уплотнение происходит в результате уменьшения их числа и размеров. Спекание многокомпонентных систем осложняется взаимной диффузией. В этом случае спекание может происходить и с образованием жидкой фазы (жидкофазное спекание).
Спекание, как правило, проводят в защитной (чаще всего инертные газы) или восстановительной (водород, углеводородсодержащие газы) средах, а также в вакууме. Нагрев изделий осуществляют в электропечах (вакуумных, колпаковых, муфельных, толкательных, конвейерных, проходных, шахтных, с шагающим подом и др.), индукционных печах, прямым пропусканием тока. Спекание и прессование могут быть совмещены в одном процессе (спекание под давлением, горячее прессование).
Материалы и изделия. Получаемые методами порошковой металлургии материалы называют порошковыми. Эти материалы условно подразделяют на конструкционные, триботехнические, фильтрующие, твердые сплавы, высокотемпературные, электротехнические, с особыми ядерными свойствами и др.
Из конструкционных порошковых материалов изготовляют детали машин, механизмов и приборов, например шестерни, фланцы, зубчатые колеса, седла и корпуса клапанов, муфты, эксцентрики, кулачки, шайбы, крышки, корпуса подшипников, детали насосов, различные диски, втулки и др. Основные требования к этим порошковым материалам - повышенные механические свойства и экономичность. Детали из конструкционных порошковых материалов подразделяют на ненагруженные, мало-, средне- и сильнонагруженные, а по типу материала - на основе железа или сплавов цветных металлов.
К триботехническим относятся антифрикционные материалы и фрикционные материалы. Оптимальные структуры анти-фрикционных материалов - тведрая матрица и мягкий наполнитель. Для создания такой структуры наиболее эффективен именно метод порошковой металлургии Получаемые этим методом антифрикционные изделия обладают низким и стабильным- коэффициентом трения, хорошей прирабатываемостью, высокой износостойкостью, хорошей сопротивляемостью схватыванию. Изделия из порошковых антифрикционных материалов являются самосмазывающимися. Твердая смазка (напр., графит, селениды, сульфиды) заключена в порах самого изделия. Антифрикционные порошковые материалы могут использоваться как для изготовления объемных элементов, так и в качестве покрытий, нанесенных на подложки. Характерный пример изделий из порошковых антифрикционных материалов - подшипники скольжения.
Фрикционные порошковые материалы используют в узлах, передающих кинетическую энергию. Эти материалы обладают высокой износостойкостью, прочностью, теплопроводностью, хорошей прирабатываемостью. Порошковые фрикционные материалы чаще всего состоят из металлических и неметаллических компонентов. При этом металлические составляющие обеспечивают высокую теплопроводность и прирабатываемость, а неметаллические (SiO2, A12O3, графит и др.) повышают коэффициент трения и уменьшают склонность к заеданию.
Фильтры из порошковых материалов по сравнению с др. пористыми изделиями обладают рядом преимуществ: высокой степенью очистки при удовлетворительной проницаемости, высокими жаростойкостью, прочностью, сопротивлением абразивному износу, теплопроводностью и др. Фильтры изготовляют спеканием свободно насыпанных или спрессованных порошков бронзы, нержавеющей стали, никеля, титана, железа. Методы порошковой металлургии позволяют изготовлять фильтры с изменяемой и регулируемой пористостью, проницаемостью и степенью очистки. Фильтры, наряду с пористыми подшипниками, составляют главную часть пористых изделий из порошковых материалов. Методами порошковой металлургии изготовляют также пористые уплотнительные прокладки, антиобледенители, пламегасители, конденсаторы, пеноматериалы и «потеющие» материалы.
Изделия из порошковых твердых сплавов, состоящих из твердых тугоплавких карбидов и пластичного металлического связующего, получают путем прессования смесей порошков и жидкофазного спекания. Твердые сплавы подразделяются на содержащие WC (или его твердые растворы с др. карбидами) и безвольфрамовые (на основе TiC и др. тугоплавких соед.); они обладают высокой твердостью, прочностью, износостойкостью. Из твердых сплавов изготовляют инструменты для резания металлов и др. материалов, штамповки, обработки давлением, для бурения горных пород. Свойства многих инструментов из твердых сплавов существенно улучшаются при нанесении на поверхность изделий тонких (толщиной в несколько мкм) покрытий из тугоплавких соединений.
К высокотемпературным порошковым материалам относят сплавы на основе тугоплавких металлов (W, Mo, Nb, Та, Zr, Re, Ti и др.). Эти сплавы применяют в авиации, электротехнике, радиотехнике и др.
Электротехнические порошковые материалы включают следующие основные группы: контактные (для разрывных и скользящих контактов), магнитные, электропроводящие и др. Разрывные контакты предназначены для многократного (до нескольких млн.) замыкания и размыкания электрических цепей. Их изготовляют из порошковых сплавов на основе Ag, W, Mo, Cu, Ni с добавками графита, оксидов Cd, Cu, Zn и др. Скользящие контакты изготовляют из порошковых сплавов на основе Cu, Ag, Ni, Fe с добавками графита, нитрида В, а также сульфидов (для снижения коэффициента трения); их применяют в электродвигателях, генераторах электрического тока, потенциометрах, токосъемниках и др. устройствах. Металлические магнитотвердые и магнитомягкие материалы изготовляют из порошковых сплавов на основе Fe, Co, Ni, Al, SmCo5, сплава Fe-Nd-B. Магнитодиэлектрики представляют собой многокомпонентные композиции на основе смеси ферромагнитных порошков с вяжущими веществами, являющимися изоляторами (жидкое стекло, бакелит, шеллак, полистирол, разные смолы). Диэлектрик образует на частицах ферромагнетика сплошную изолирующую пленку достаточной твердости, прочности и эластичности, одновременно обеспечивая их механическое связывание. Ферриты изготовляют только методами порошковой металлургии Порошковые электропроводящие материалы и изделия из них разного назначения изготовляют в основном из меди, алюминия и их сплавов.
В ядерной энергетике порошковые материалы (В, Hf, Cd, Zr, W, Pb, РЗЭ и др. и их соединений) с особыми свойствами используют в качестве поглотителей, замедлителей, из них изготовляют регулирующие стержни, а также твэлы (с использованием порошков диоксида, карбида, нитрида U и порошков тугоплавких соединений других трансурановых элементов)
Лит. Шведков Е Л , Денисенко Э. Т., Ковенский И. И., Словарь-справочник по порошковой металлургии, К.. 1982; Кипарисов С. С., Либенсон ГА., Порошковая металлургия, 2 изд., М., 1980; Порошковая металлургия в СССР История. Современное состояние. Перспективы, под ред. И. Н Францевича и В. И. Трефилова, М., 1986; Порошковая металлургия и напыленные покрытия, под ред. Б. С. Митина, М., 1987 Ю В. Ленинский
