Порошковая металлургия и свойства металлических порошков

1.Общая характеристика порошковой металлургии и свойства порошков.

История развития ПМ в России. Основным стимулом зарождения и

развития ПМ до сих пор являлась потребность в новых материалах,

невозможность их получения и обработки с помощью традиционных методов.

Основы современной ПМ были заложены П. Г. Соболевским в 1826-1827гг.в связи

с необходимостью переработки порошка платины и отсутствием возможности его

переплавки. В НГТУ на базе работ, проводимых с середины 60-х гг. была

начата разработка нового направления в порошковой металлургии-горячей

обработки давлением пористых порошковых заготовок, существенно расширившей

возможности этой прогрессивной области науки и техники. Созданный в

университете научный задел и материально-техническая база, наличие

высококвалифицированных кадров, высокая эффективность выполненных работ и

широкие перспективы дальнейшего развития послужили открытием в 1972г. в его

составе проблемной научно-исследовательской лаборатории

динамического горячего прессования, долгие годы являвшейся в стране ведущей

координирующей организацией в области динамического горячего прессования.

Учитывая интенсивное развитие порошковой металлургии в Ростовской области и

на Северном Кавказе, при кафедре материаловедения и технологии материалов

была открыта специальность '' Композиционные и порошковые материалы,

покрытия''. Кафедра явилась базовой при организации в НГТУ диссертационного

совета.

Основные области применения ПМ. Порошковые материалы используются

практически в любой области техники, и объем их применения непрерывно

расширяется. Это связано как с возрастающей ролью, которую выполняют

материалы вообще, так и со специфическими особенностями, присущими только

порошковым материалам. Так, развитие электронной техники было бы невозможно

без развития производства полупроводников, то же можно сказать в отношении

космической техники, ядерной энергетики.

Спеченные антифрикционные материалы позволили повысить надежность и

долговечность узлов трения, снизить потери на трение, заменить

дорогостоящие подшипники качения, на подшипники скольжения или баббиты и

брынзы на железографитовые псевдосплавы. Разработка материалов твердыми

смазками сделала возможным их применение в устройствах, где использование

жидких смазок вообще не допустимо, например в пищевой промышленности, при

высоких температурах.

Пористые порошковые материалы широко используются в узлах трения,

фильтрах, тепловых трубах, уплотнениях.

Фрикционные порошковые материалы являются, по существу, композиционными и

состоят из металлических и неметаллических компонентов. Они имеют наиболее

высокие фрикционные свойства и широко применяются.

Электротехнические материалы – контакты, магнитомягкие и магнитотвердые

материалы, инструменты для электроэрозионной обработки, точечной и

роликовой сварки – находят все более широкое применение в электротехнике,

энерго – и аппаратостроении, автоматике и телемеханике, радиоэлектронике и

других отраслях.

Порошковые конструкционные материалы являются наиболее распространенной

продукцией ПМ. Потребность в них составляет около 60% суммарной потребности

в продукции ПМ.

Жаропрочные, жаростойкие и композиционные материалы определяют развитие

отраслей современной техники, где без обеспечения специальных свойств

невозможна эксплуатация машин и агрегатов: авиационной, ракетной техники,

космонавтики, химического машиностроения. Для их нужд были созданы

тугоплавкие металлы и сплавы, тугоплавкие соединения, получаемые в

большинстве случаев только методами ПМ.

Тугоплавкие и твердые бескислородные соединения и материалы на их

основе-карбиды, бориды, нитриды, силициды и другие - находят применение

благодаря своим уникальным свойствам во многих отраслях промышленности,

например инструментальной.

Твердые сплавы - важнейшие широко распространенные порошковые

материалы, при получении которых в полной мере реализуются возможности ПМ :

получение композиционных материалов из компонентов с резко различной

температурой плавления, достижение уникального комплекса физико –

механических свойств, безотходная технология. Применяются твердые сплавы в

инструментальной промышленности, буровой технике, при обработке давлением.

Материалы для современной атомной энергетике должны выдерживать

экстримальные механические и термические нагрузки с одновременным

воздействием физических факторов, они используются в качестве поглощающих и

замедляющих элементов, а так же топлива. Определенную их часть составляют

порошковые материалы.

Эрозионностойкие материалы должны сочетать разнообразные и необычные

свойства изделий и обеспечивать их работоспособность в очень тяжелых

условиях эксплуатации. Примером могут служить турбины, где наиболее

напряженной деталью является сопловой вкладыш, рабочая температура на

поверхности составляет 3500-3600°С.

. С увеличением связности частиц увеличиваются затраты на формирование

изделий, но уменьшается вероятность взаимодействий материала с внешней

средой и затраты на его защиту. Порошок, являющийся исходным материалом для

ПМ, в этом отношении занимает промежуточное положение между жидкостью

твердым телом , обладая савокупностью частиц текучестью, а в объеме каждой

частицы – деформируемостью.

Металлическим порошком - называется совокупность частиц металла, сплава или

металлоподобного соединения размерами до миллиметра, находящихся в контакте

и не связанных между собой. Лигатурами - называются вспомогательные сплавы,

применяемые для жидкотекучести . Частица представляет собой индивидуальное

тело с небольшими размерами во всех трех измерениях. В большинстве случаев

размеры частиц, используемых в ПМ, составляют 10-100 мкм. В связи с этим

они имеют развитую поверхность, во многом определяющую их поведении при

дальнейшей обработки и отличающую ее от обычных материалов даже идентичного

состава. Второй главной особенностью частицы является значительно большее

содержание (относительное) в ней объемных дефектов – пор и включений.

Физика и химия поверхности порошков. Поверхность твердого тела

является зоной, где межатомные связи не скомпенсированы. Сорбция –

поглощение вещества из окружающей среды твердыми или жидкими телами.

Поглотитель называют сорбентом, поглощаемое вещество – сорбатом. Абсорбция

– поглощение сорбата всем объемом сорбента. Адсорбцыя – поглощение сорбата

поверхностью сорбента. Хемосорбцыя – поглощение сорбента с образованием

химических соединений, сопровождающееся тепловым эффектом. Состояние

поверхности раздела между фазами А и В или даже между частицами одной фазы

можно охарактеризовать поверхностным натяжением. ПАВ – это вещества,

способные адсорбироваться на поверхностях раздела фаз и понижать величины.

Поверхностное натяжение характеризует работу перехода атомов из внутренней

части материала на поверхность при образовании единицы новой поверхности.

Поверхностная энергия-избыток энергии поверхностного слоя на границе двух

соприкасающихся фаз, определяемый различным характером межчастичного

взаимодействия в обеих фазах. При высокой температуре и повышенной

диффузионной подвижности атомов площадь поверхности может сохраниться, но

если ее геометрическая форма была неправильна или нарушена, то она

изменяется. Увеличение поверхности раздела при измельчении частиц связано с

энергетическими затратами, а ее уменьшение энергетически целесообразно и

может являться стимулом для протекания определенных процессов, например при

спекании или при температурном нагреве.

Микроструктура поверхности. Идеализированные поверхности можно

разделить на три типа: сингулярные, вицинальные и диффузионные. Сингулярные

поверхности раздела фаз отличаются от диффузионных количеством атомных

молекулярных слоев, параллельных поверхности кристалла, в которых

осуществляется переход от кристалла к пару. Реальные поверхности содержат

так называемые поверхностные дефекты, то есть такие нарушения в идеальном

расположении атомов, которые имеют большую протяженность в двух

направлениях и незначительную - в третьем.

Объемные дефекты частиц порошков. Наряду с точечными линейными и

поверхностными, присуще структуре литых металлов. Они имеют размеры одного

порядка в трех измерениях и несколько порядков превышают размеры точечных

дефектов. К этому виду дефектов литых металлов относятся субмикропоры,

являющиеся результатом изотропного роста скоплений вакансий,

субмикропузыри, сегрегации и так далее. С уменьшением размеров тел (частиц)

влияние этих факторов возрастает, одновременно увеличивается интенсивность

взаимодействия с окружающей средой, приводящая к повышению газонасыщенности

и окисленности металла. Все это вызывает увеличение количества объемных

дефектов в порошковых частицах по сравнению с литыми и обработанными

давлением металлами. Неметаллические включения- это преимущественно оксиды

основного (железа) и примесных элементов.Поры в исходных частицах могут

быть только внутренние, они мелкие, возникают при получении порошка за счет

усадки, газообразования, механического воздействия(трещины) и др.

Химические свойства порошков. К химическим свойствам металлических

порошков относятся их химический состав, газонасыщенность, пирофорность,

токсичность, взрывоопасность. Химический состав оценивают содержанием

основных компонентов, примесей или загрязнений и газов. Зависит он от

состава исходных материалов и метода получения порошков. Предельное

содержание примесей в порошках определяется их допустимым количеством в

готовой продукции. Химический анализ по методикам, принятым для общего

анализа металлов. Исключением является лишь определение содержания

кислорода. Газонасыщенность- характерная особенность порошков. Содержатся

газы на поверхности частиц (адсорбированные) и внутри их, попадая в

процессе изготовления и при разложении добавок.Ухудшаются условия

прессования (хрупкость) и спекания (коробления).

Физические свойства. К физическим свойствам порошков относятся:

форма частиц, их размер, удельная поверхность, плотность, микротвердость.

Фракция это совокупность частиц в определенном диапазоне размеров.

Гранулометрический состав- содержание фракций частиц (%) по отношению к

общему количеству. Гранулометрический состав определяют ситовым,

седиментационным, микроскопическим и другими методами. Ситовый анализ

проводят механическим разделением навески порошка 100г при насыпной

плотности более 1,5 г/смі и 50г при меньшем значении через требуемый

набор сит, располагаемых одно над другим. Порошок перед рассевом

просушивают.

Частицы имеют неправильную геометрическую форму, их взаимоориентировка

случайна, поэтому размер для расчета определяют в одном каким- либо

направлении, независимо от их расположения. Удельная поверхность

представляет собой суммарную поверхность всех частиц, составляющих единицу

их массы или объема. Плотность частицы порошка-отношение ее массы к

занимаемому объему. Микротвердость позволяет косвенно оценить способность

частиц порошка к деформированию, что нельзя сделать, как для обычных

материалов, по механическим свойствам, поскольку последние не определяются

для дискретных тел.

Адсорбционные методы делятся на статические и динамические. Во

первых измерения производят по достижении равновесия газ - твердое тело, во

- вторых при непрерывном течении газа. Метод ртутной

порометрии обычно используется для измерения

Ѕw когда ртуть не смачивает исследуемый порошок. Сущность метода

заключается во вдавливании ртути в поры при определенном давлении,

Технологические свойства. Это угол естественного откоса, насыпную

плотность, плотность утряски, текучесть, уплотняемость, прессуемость и

формируемость. Формируемость порошка в основном зависит от формы, размера и

состояния поверхности частиц. Аутогезия зависит от природы частиц, их

Страницы: 1, 2, 3, 4