Методы получения металлических порошков, свойства порошков
Лабораторная работа № 9
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК И ДЕТАЛЕЙ МЕТОДОМ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
Цель работы: Ознакомление с технологией получения деталей и заготовок методом порошковой металлургии. Приобретение практических навыков в дозировании шихты, прессовании деталей и контроле качества деталей.
Задачи работы
1. Изучить процесс изготовления деталей из металлических порошков.
2. Произвести расчет и дозирование шихты.
3. Определить необходимое усилие прессования заготовок.
4. Произвести прессование заготовок на гидравлическом прессе.
5. Определить пористость заготовок.
Оборудование, инструменты и принадлежности
1. Гидравлический пресс (1 шт.).
2. Пресс-форма (1 шт.).
3. Лабораторные весы (1 шт.).
4. Разновесы (1 комплект).
5. Шихта.
6. Микрометр ГОСТ 7507-60 (1 шт.).
Теоретическая часть
Введение
Порошковая металлургия (ПМ)― это процесс изготовления деталей из металлических порошков и их смесей с неметаллическими материалами без расплавления основного компонента.
Используя методы ПМ, можно изготавливать изделия из тугоплавких металлов, создавать материалы с особыми составами, структурой и свойствами, иногда вообще недостижимыми при применении других методов производства, либо с обычным уровнем свойств, но при существенно лучших экономических показателях.
Методы ПМ позволяют получить материалы деталей, обладающие высокой жаропрочностью, износостойкостью, стабильными магнитными свойствами, а также полупроводниковые материалы. Детали можно получать из чистых металлов, сплавов и композиций металлов с неметаллами, которые невозможно создать приемами обычной металлургии вследствие их жаропрочности или неспособности сплавляться.
В ПМ используют следующие металлические порошки: железные, кобальтовые, вольфрамовые, никелевые, серебряные, медные, алюминиевые, оловянные и свинцовые.
Механические свойства изделий из чистых металлических порошков близки к свойствам литых деталей. В некоторых случаях удается подобрать режимы прессования и спекания, обеспечивающие повышенную прочность изделий.
Механические свойства деталей, полученных из металлических порошков, незначительно уступают механическим свойствам литых и кованых заготовок. Методами ПМ могут быть изготовлены такие же детали, что и из отливок, но с тем существенным отличием, что потери при изготовлении этих деталей методами ПМ составляют 3-7%, тогда как при изготовлении из отливок отходы материала иногда достигают 80%. Процессы порошковой металлургии наиболее эффективны в условиях крупносерийного и массового производства.
Методы получения металлических порошков, свойства порошков
Методы получения металлических порошков делят на механические, обычно используемые для переработки отходов, и физико-химические, дающие возможность получать очень чистые шихтовые материалы.
Механическое измельчение (дроблением, размолом или истиранием) ― старейший метод перевода твердых веществ в порошкообразное состояние. Наиболее целесообразно применять механическое измельчение при производстве порошков хрупких металлов и сплавов. В качестве сырья лучше использовать стружковые и другие отходы, образующиеся при обработке металлов.
Операция механического измельчения часто совмещается с операцией приготовления смесей порошков.
Механические методы получения порошков это:
1) обработка металлов резанием с превращением их в мелкую стружку или опилки. Так получают, например, магнитный порошок путем царапания компактного магния стальными щетками или на специальных фрезерных станках;
2) измельчение металла в шаровых (карбиды титана, вольфрама, кремния и др.), вихревых (ковкие металлы) и др. типах мельниц;
3) ультразвуковое диспергирование. Его ведут в воде, спирте, ацетоне и др. жидкостях. Механизм его состоит в расклинивающем действии кавитационных ударов. Полученные порошки достаточно химически чистые, но частицы содержат больше микроискажений, чем после измельчения в шаровой мельнице.
Для получения порошков может использоваться и диспергирование расплавов.
Физико-химические методы ― это такие технологические процессы, которые связаны с существенным изменением химического состава исходного материала в результате происходящих в нем глубоких физико-химических превращений. По сравнению с механическими методами физико-химические более универсальны, причем некоторые требования, предъявляемые к металлическим порошкам, можно удовлетворить, используя только их.
К физико-химическим методам относятся:
1) получение металлических порошков восстановлением химических соединений. Этим методом могут быть получены практически все металлы. В общем случае простейшую реакцию восстановления можно представить как:
МеА + Х 
Ме + ХА ± Q,
где Ме ― любой металл, порошок которого требуется получить;
А ― неметаллическая составляющая (кислород, фтор, хлор, солевой остаток и др.) восстанавливаемого химического соединения МеА;
Х ― восстановитель;
Q ― Тепловой коэффициент реакции;
2) производство металлических порошков электролизом растворов или расплавов соединений металлов. Это своеобразный процесс восстановления, при котором перераспределение электронов и передача их металлу с одновременной перестройкой структуры происходят не с помощью восстановителей, а за счет использования энергии электрического поля.
Электролиз используется для выделения порошков: меди, серебра, железа, никеля, кобальта, хрома, олова и др.
Существуют и другие физико-химические методы получения порошков.
Металлические порошки принято характеризовать химическими, физическими и технологическими свойствами.
В некоторых случаях необходимо характеризовать порошки по специальным свойствам : а) коррозионная стойкость, б) химическая активность, в) адсорбционная способность, г) цвет, д) блеск и т. п.
Знание свойств порошков необходимо для правильной организации техпроцесса производства заготовок. Основные характеристики порошков регламентированы ГОСТ или ТУ.
Химические свойства порошков ― это содержание основного металла, примесей (или загрязнений) и газов, пирофорность и токсичность.
Для получения большинства изделий из порошков содержание основного металла в них должно быть не ниже 98-99%.Предельное содержание примесей в порошках определяется допустимым содержанием их в готовой продукции.
В металлических порошках содержится значительное количество газов (кислорода, водорода, азота и др.), как адсорбированных на поверхности, так и попавших внутрь частиц в процессе изготовления. Большое количество газов увеличивает хрупкость порошков, затрудняет формование, а интенсивное их выделение может привести к короблению изделий. Поэтому порошки часто подвергают вакуумной обработке для отгонки газов.
Для некоторых порошков характерна способность к самовозгоранию при соприкосновении с воздухом ― пирофорность. К таким порошкам относятся тонкие порошки железа, кобальта, алюминия, циркония и др. Например, для циркония со средним размером частиц 3-6 мкм пирофорность проявляется при его расположении в слое при 180 °С, а для взвешенной в воздухе пыли циркония ― при 20 °С.
Пыль любого металла может воздействовать на человека и вызывать патологические изменения в организме, т.е. быть токсичной. Поэтому при контакте с порошком обращается особое внимание на соблюдение мер, обеспечивающих безопасность работающих.
Физическими свойствами порошков являются: а) форма частиц; б) размеры и распределение их по крупности; в) удельная поверхность; г) пикнометрическая плотность; д) микротвердость.
а) Форма частиц.
Она зависит от метода получения и обработки порошка и бывает: сферическая (распыление расплава с кристаллизацией частиц в свободном полете), губчатая (восстановление оксидов), оскольчатая (измельчение в шаровой мельнице), дендритная (электролиз водных растворов и расплавов солей) и др.
б) Размер частиц.
Металлические порошки состоят из частиц различной крупности. В зависимости от набора размеров частиц порошок характеризуется гранулометрическим (фракционным) составом. Фракция ― это диапазон размеров частиц между их максимальным и минимальным значениями. Гранулометрический состав ― содержание частиц (%) в определенных фракциях по отношению к их общему количеству.
В зависимости от размеров частиц порошки условно делят на группы: ультрадисперсные (до 500 нм), ультратонкие (0,5-10 мкм), тонкие (10-40 мкм), средней крупности (40-250 мкм), грубые или крупные (250-1000 мкм).
Гранулометрический состав определяют различными методами анализа: ситовым, микроскопическим и др.
в)Удельная поверхность порошка ― это суммарная поверхность всех частиц, составляющих его единицу массы (или объема). Для различных порошков она составляет от 0,01 до 10-20 м2/г. Величина удельной поверхности определяет активность протекания физико-химических процессов, сопутствующих формированию свойств частиц, их компактированию, спеканию, взаимодействию с окружающей средой и т.д.
Удельная поверхность порошка определяется дисперсностью, формой и состоянием поверхности его частиц. Для ее определения используют методы измерения газопроницаемости и адсорбции.
г) Плотность.
Плотность частицы порошка ― это отношение ее массы к занимаемому объему и зависит от совершенства внутренней макро- и микроструктуры частицы, наличия оксидов, нитридов и т.д. Для сплавов плотность частицы зависит также от равномерности распределения легирующих элементов и фаз.
Пикнометрическую (истинную) плотность частицы порошка определяют при помощи мерных сосудов ― пикнометров.
д) Микротвердость.
Она позволяет косвенно оценивать способность частиц к деформированию. Ее определяют по величине отпечатка, оставленного при вдавливании алмазного наконечника (индентора) конусной формы в полированную плоскую поверхность частиц порошка, закрепленных в шлифе.
Технологические свойства порошков это: а) угол естественного откоса, б) насыпная плотность, в) текучесть, г) плотность утряски, д) уплотняемость, е) прессуемость, ж) формуемость.
Знание технологических характеристик позволяет в сочетании с известными физическими свойствами оценивать поведение исследуемых порошков при их компактировании, скорость заполнения порошком пресс-форм, величину необходимого при прессовании давления и т.д.
а) Угол естественного откоса ― это угол, образованный поверхностью конуса свободно насыпанного порошка и горизонтальной плоскостью в его основании.
Для большинства порошков он составляет 25-70°; он уменьшается с ростом текучести порошков; его значения минимально для порошков со сферической формой частиц. Угол естественного откоса характеризует равновесное состояние порошка при отсутствии воздействия на него внешних сил; этот угол является также и углом трения.
б) Насыпная плотность ― это масса единицы объема порошка при свободной его насыпке.
Эта характеристика определяется плотностью материала порошка, размером (формой) его частиц, плотностью укладки частиц и состоянием их поверхности. Например, сферические порошки с гладкой формой частиц обеспечивают более высокую насыпную плотность.
Насыпную плотность определяют по ГОСТ на приборе, называемом волюмометр.
Насыпную плотность учитывают при расчете объема полости матрицы при прессовании.
Величина, обратная насыпной плотности, характеризует объем, занимаемый единицей массы порошка, который называют насыпным объемом. Эта величина помогает оценить способность порошка к наполнению формующей полости матрицы пресс-формы.
в) Плотность утряски.
При приложении механических колебаний к сосуду с порошком его частицы, перераспределяясь друг относительно друга, расположатся существенно более компактно. Сокращение объема произойдет без деформации частиц порошка. Отношение массы порошка к величине этого нового, уменьшенного объема, называют плотностью утряски.
Метод определения этой характеристики регламентируется ГОСТ.
Плотность утряски (а она по сравнению с насыпной плотностью может увеличиваться на 25-50%) зависит от тех же свойств порошка, что и насыпная плотность.
Отношение насыпной плотности к плотности утряски дает также качественное представление о текучести порошка.
г) Текучесть порошка ― это его способность перемещаться под действием силы тяжести, которая оценивается временем истечения (с) навески порошка массой 50 г через калиброванное отверстие диаметром 2,5 мм.
Текучесть зависит от плотности материала, гранулометрического состава, формы и состояния поверхности частицы, степени окисления и т.д.
Текучесть учитывают при определении производительности автоматических процессов. Текучесть ухудшается при увлажнении порошка, увеличении его удельной поверхности и доли мелкой фракции. Она несколько улучшается при окислении поверхности частиц.
д) Уплотняемость порошков показывает их способность к уменьшению занимаемого объема под воздействием давления или вибрации.
Данные по уплотняемости представляют в виде таблицы или графика зависимости плотности прессовок от давления прессования.
е) Прессуемость порошка оценивают его способностью образовывать под воздействием давления тело, имеющее заданные размеры, форму и плотность.
Эта характеристика дает качественную оценку свойств порошка, комплексно связанную с уплотняемостью и формуемостью.
ж) Формуемость порошка оценивают его способностью сохранять приданную ему в результате прессования форму в заданном интервале пористости.
Формуемость порошка зависит в основном от формы, размера и состояния поверхности частиц.