Лабораторная работа № 12 Изучение порошковых материалов

ИЗУЧЕНИЕ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: изучить свойства, способы получения и область применения металлических порошковых материалов

Классификация порошковых материалов

Порошковые материалы представляют собой металлические порошки (железные, из цветных металлов и сплавов с добавкой других примесей), подвергнутые прессованию при высоком давлении и спеканию при высокой температуре.

Порошки— это обособленные частицы металлов и сплавов, которые могут иметь сложную поликристаллическую структуру, разные размеры в диапазоне 1 ...200 мкм. С использованием порошков получают порошковые материалы — спеченные сплавы, спеченные материалы.

Спеченные сплавы — материалы, полученные из металлических порошков методами порошковой металлургии. Известны спеченные сплавы на основе вольфрама, молибдена, железа, нпке-ля, меди, алюминия (например, спеченная алюминиевая пудра (САП), и спеченный алюминиевый сплав (САС), используемые для производства жаропрочных и жаростойких изделий).

Спеченные материалы — полуфабрикаты из порошков металлов и металюподобных соединений пли их смесей с неметаллическими порошками, полученные методами порошковой металлургии.

Широкому внедрению порошковой металлургии способствовали следующие её достоинства:

1. Возможность получения материалов, которые трудно или даже невозможно получить другими методами. Это сплавы тугоплавких металлов или их соединений, псевдосплавъг из металлов, не смешивающихся в расплавленном виде (вольфрам-медь, молнбден-серебро), Псевдосплавы — это порошковые смеси со связкой твердого (молибден, вольфрам) и мягкого пластичного (медь, серебро) металлов.

  • 2. Более высокие свойства спеченных металлов по сравнению с традиционными плавленными, что связано с формированием однородной кристаллической структуры.
  • 3. Более экономичное изготовление изделий за счет экономии мета.ла, высвобождения металлорежущего оборудования. Экономический эффект от внедрения 1 т спеченных изделий составляет 1...1,5 тыс. рублей.

Порошковая металлургия имеет также и недостатки, основными из которых яв.мгется высокая стоимость порошков, сложность получения изделий больших размеров и беспористых компактных изделий. Однако эти недостатки имеют временный характер и в значительной степени зависят от развития техники.

Очень часто порошковые материалы представляют собой сложные композиции, в состав которых входят различающиеся по свойствам нерастворимые или малорастворимые друг в друге компоненты, разделенные ярко выраженной границей. Такие материалы называют композиционными порошковыми материалами.

Свойства композиционных материалов зависят от физикомеханических свойств компонентов и прочности связи между ними. 11ри этом свойства композиционных материалов обычно превышают свойства отдельно взятых компонентов, входящих в их состав. Для оптимизации свойств композиционных материалов выбирают компоненты с резко различающимися, но дополняющими друг друга свойствами.

Основой (матрицей) композиционных материалов могут служить металлы пли сплавы (композиционные материалы на металлической основе) либо полимеры, углеродные и керамические материалы (композиционные материалы на неметаллической основе). В зависимости от назначения порошковые материалы делят на антифрикционные, фрикционные, пористые, электротехнические, твердые сплавы и др.

Антифрикционные пористые порошковые материалы получают из порошков как черных, так и цветных металлов. В зависимости от режимов прессования и спекания можно получить сплавы различной степени пористости (объем пор составляет 20...30% общего объема). При наличии пор, в которых хорошо удерживается смазочный материал, и графита, служащего твердой смазкой, пористые подшипники скольжения характеризуются малым износом, малым коэффициентом трения, хорошо прирабатываются к валу. Пористые антифрикционные материалы изготов.мпот из порошков железа и графита; порошков железа, меди и графита и др.

Железографитовые материалы могут иметь ферритную, перлитную нлп перлитоцементитную структуру. Железомед е-графитовые материалы по структуре представляют собой ферритную пли перлитную матрицу с включениями меди, графита и пор, заполненных смазочным материалом.

Антифрикционные пористые материалы используют для изготовления втулок подшипников скольжения, широко применяемых в автотракторном и сельскохозяйственном машиностроении.

Фрикционные порошковые материалы представляют собой сложные по составу композиции на основе железа пли меди. Фрикционные материалы, используемые для изготовления различных тормозных устройств, должны обладать высокими коэффициентом трения, износостойкостью и теплопроводностью, а также хорошей прирабатываемостью. Поскольку фрикционные материалы характеризуются повышенной хрупкостью и сравнительно низкой прочностью, то тормозные устройства обычно изготовляют из стальной прочной основы (диски, ленты), на которую наносят слой фрикционного материала.

Пористые порошковые материалы получают спеканием порошков железа, бронзы, никеля, коррозионностойкой стали и других материалов и применяют для изготовления фильтров. 11о-ристость таких материалов составляет не менее 40% общего объема изделия. Фильтры из пористых порошковых материалов используют для очистки топлива (в двигателях автомобилей, тракторов и другой техники), воздуха и различных жидкостей.

Электротехнические металлокерамические материалы получают методами порошковой металлургии и применяют для электрических контактов, постоянных магнитов, сердечников индукцпонных катушек и других изделий. Электрические контакты, которые должны обладать высокими жаропрочностью и жаростойкостью, большим сопротивлением электрической эрозии, изготовляют из порошков тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена и др.). Скользящие контакты для электродвигателей изготов.яют из порошков бронзы, меди и графита, постоянные магниты — из порошков Al-Ni-Си (сплав cLibmi), Al-Ni-Co-Cn (сплав алъникдр Сердечники катушек индукционности (ферриты) получают методами холодного и горячего прессования из порошков чистого железа и сплавов на основе железа или из порошков на основе оксидов железа. Такие материалы применяют в радиотехнике, электротехнике и т. д.

Способы получения металлических порошков

Порошковая металлургия — это область техники, охватывающая совокупность методов изготовления металлических порошков и металлоподобных соединений, полуфабрикатов и изделий из них или их смесей с неметаллическими порошками без расплавления основного компонента.

Быстрое развитие порошковой металлургии создало предпосылки для разработки широкого класса сплавов, которые используются как заменители традиционных литых и кованых сталей и сплавов, так и в качестве материалов со свойствами, которые не могут быть получены при использовании других технологических процессов.

Преимущества порошковой металлургии ио сравнению с другими методами изготовления деталей машин и приборов состоят в следующем:

получение изделий, которые невозможно изготовить никакими другими методами (фильтры, пористые подшипники, контакты пз псевдосплавов на основе тугоплавких металлов и др.);

большая экономия металлов, так как можно использовать для получения порошков отходы (например, стружку, окалину) и получать изделия без дальнейшей механической обработки (втулки, шестерни, кулачки и др.), что приводит к значительному снижению себестоимости материалов и готовой продукции.

Наряду с преимуществами порошковая металлургия имеет ряд недостатков: дорогостоящая оснастка (экономически выгодна при серийном и крупносерийном производстве), нестабильность свойств, трудности изготовления крупногабаритных и сложных но форме изделий.

Основными технологическими операциями изготовления порошковых изделий являются:

приготовление порошковой шихты заданного химического и гранулометрического составов;

формование (прессование) заготовок;

спекание спрессованных заготовок с целью придания им необходимой прочности и физико-механических свойств;

дополнительная обработка в зависимости от назначения изделий и предъявляемых к ним требований (механическая, термическая и др.).

Существуют различные методы получения металлических порошков: механическим размельчением (размолом), распылением металлов, восстановлением окалины или чистых оксидов, карбонильный, электролизный и др. (рисунок 12.1).

| Производство металлических порошков |

Химические процессы

Физические процессы

Восстановление оксидов Осаждение из раствора или пара

Термическое разложение Электрохими ческое осаждение

Измельчение твердых тел Мельницы:

  • -дисковые;
  • -шаровые;
  • -аттриторные;
  • -струйные

Распыление расплава: -капельное;

  • - вращательное;
  • -вакуумное;
  • -ударное;
  • -ультразвуковое;
  • -электродинамическое

Рисунок 12.1 - Методы получения и обработки порошков

Восстановление металлов из их оксидов — один из наиболее распространенных методов получения металлических порошков. Этим методом производят порошки железа, меди, никеля, вольфрама и других металхов, а также порошки сталей, металлических сплавов — легированных и коррозионностойких шалей.

Методы восстановления оксидов классифицируются по применяемому восстановителю и агрегатам, виду шихты и методу ее подачи в зону восстановления, давлению восстановительных газов и температуре процесса.

Железный порошок, полученный методом восстановления, подразделяется по химическому составу на марки: ПЖВ1, ПЖВ2, ПЖВЗ, ПЖВ4, ПЖВ5, где ПЖ— порошок железа, последующие цифры — степень химической неоднородности порошка по примесям.

Порошки металлов и неметаллов являются основными исходными материалами для изготовления порошковых изделий.

Способы получения деталей из металлических порошков

Холодное прессование широко применяют для получения деталей из порошков. Холодное прессование состоит из приготовления шихты, засыпки шихты в пресс-форму, прессования, вы-прессовки. В зависимости от отношения длины изделия к диаметру применяют одно- пли двухстороннее прессование. Односторонним прессованием получают сплошные изделия простой формы, у которых отношение высоты к диаметру меньше двух, и втулки с отношением высоты к толщине стенки меньше трех. Двухстороннее прессование производят взаимным движением навстречу друг другу двух пуансонов. Этим способом получают сплошные детали с отношением высоты к диаметру больше двух пли втулки с отношением высоты к диаметру больше трех. Для получения длинномерных изделий из порошков с большим отношением длины к диаметру применяют мундштучное прессование, при котором сечение изделия определяется формой матрицы.

Спекание — это термическая операция, проводимая для повышения прочности изделия после холодного прессования, прокатки и т. д. В результате спекания малопрочные механические связи между частицами порошка заменяются более прочными межатомными металлическими связями. Спекание осуществляется в термических печах с защитной атмосферой пли в вакууме. Температура спекания изделий, спрессованных из порошка одного металла, составляет примерно 0,6...0,8 температуры плавления данного металла: для железа — 11ОО...12ОО°С, для меди — 8ОО...9ОО°С, для молибдена — 21ОО...23ОО°С. Спекание изделий из многокомпонентных порошков с большой разницей в температурах плавления проводят при температуре, превышающей температуру плавления наиболее легкоплавкого компонента. При спекании образуется жидкая фаза, которая при взаимодействии с твердой фазой дает твердый раствор, например при спекании порошка карбида вольфрама и кобальта. Про-должительность спекания в твердом состоянии или в жидкой фазе обычно составляет 1...3 ч.

Горячее прессование применяют для труднодеформпруемых материалов (карбидов, боридов и др.). При горячем прессовании в пресс-форме изделие не только формируется, но и подвергается спеканию, что позволяет получать беспористый плотный материал с высокими физико-механическими свойствами. Горячее прессование обычно проводят в вакууме или в защитной атмосфере (из водорода, оксида азота с водородом, генераторного газа и т. д.) в широком интервале температур 1200... 1800°С.

Определение технологических характеристик металлических порошков и изделий из них

Технологические свойства характеризуются насыпной плотностью, плотностью утряски, прессуемостью, спекаемо-стыо.

Насыпная плотность яв.шется важной объемной характеристикой порошка. Под насыпной плотностью понимают массу единицы объема свободно насыпанного порошка. Насыпная плотность рассчитывается по формуле

Унлс -/см3 (121)

где т, — масса мерного стакана, г;

т2 — масса мерного стакана с порошком, г;

Иг — объем мерного стакана, см3.

Плотность утряски определяется взвешиванием мерного стакана с порошком после его утряски по формуле

= г/ ' (12 2)

Гут Vc 9 /СМ3 >

где т3 — масса заполненного мерного стакана после его утряски, г.

Определение насыпной плотности и плотности утряски важно для осуществления точного дозирования порошков объемными методами.

Прессуемость характеризует способность порошка уплотняться под воздействием определенного давления. Показателями прессуемостп являются:

а) плотность прессовки (пористого образца), определяемая по формуле

Упор у ' Г/см3 (12.3)

где М — масса спрессованного образца, г;

V— объем спрессованного образца, определяется по результатам измерения его диаметра d и высоты h, V — * h, см3,

б) относительная плотность спрессованного образца v, определяемая по формуле

v = ? 100%, (12.4)

где умр_ плотность пористого образца, г/см3;

77_ плотность компактного (беспористого) материала, г/см3.

При изготовлении прессовок из двух порошков (95% железа и 5% графита) плотность компактной смеси ук рассчитывается по правилу аддитивности (в переводе с латинского аддитивность — прибавление)

Гк = кц5,7смз (12.5)

Г1 Уз

где К/, К2 — содержание железа и графита по массе, % (К,=95%, К2=5%);

77, 77 — плотность железа и графита, (77,= 7,85 г/см3; 77 = 2,2 г/см3).

bJ Пористость прессовок П, характеризующая отношение объема пор к объему пористого тела, определяется по формуле

П = Гк~Уг::р . 10Q% (126)

Ун

Спекаемость порошка характеризуется величиной усадки (У), определяемой ио изменению размеров (объема) образцов до и после спекания

У = ^-100% (12.7)

где И — объем прессовки до спекания, см3;

V — объем прессовки после спекания, см3.

Знание величины усадки позволяет правильно рассчитать размеры прессформы, что обеспечивает необходимую точность изготовления порошковых изделий.

Последовательность выполнения работы

  • 7. Изучить теоретическую часть и дать ответы на контрольные вопросы 1—5.
  • 2. Подготовить образцы и произвести проверку технологических характеристик металлических порошков.
  • 3. Дать ответы на контрольные вопросы 6—11.

Вопросы для контроля

  • 1. Что такое металлический порошок?
  • 2. Что такое порошковая металлургия?
  • 3. Как маркируются железные порошки?
  • 4. Дайте определение псевдосплава.
  • 5. Укажите способы получения порошковых сплавов.
  • 6. Какие порошковые материалы используются в машиностроении?
  • 7. Назовите достоинства и недостатки порошковой металлургии.
  • 8. Назовите основные способы получения металлических порошков.
  • 9. Перечислите основные операции изготовления порошковых материалов.
  • 10. Назовите основные технологические характеристики порошков. Как они определяю тся?
  • 11. Как определить массу порошка для изготовления детали?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >