Порошковая металлургия: история, нюансы производства, перспективы

05.02.2021

Разнообразие изделий, изготовленных с помощью порошковой металлургии, охватывает: детали оборудования с антифрикционными свойствами и узлы приборостроения, конструкционные элементы, инструментальные заготовки в разных направлениях промышленности.

Преимущества металлических порошков

Востребованность отрасли обусловлена ее преимуществами над другими способами металлообработки:

  1. Минимизируются затраты средств и времени на финальную обработку продукции. Изделия точно соответствуют заданным формам и чертежным габаритам, отличаются качественной поверхностью.
  2. Удается создавать продукцию с необычными свойствами за счет объединения металлических компонентов с неметаллическими.
  3. Уменьшается число технологических операций, за счет чего экономятся ресурсы, энергия. Стартовое сырье используется на 97%.
  4. Готовые изделия характеризуются более высокими эксплуатационными, техническими характеристиками по сравнению с теми, которые изготовлены традиционными методами.
  5. Удается упростить производство изделий со сложной формой.

Экскурс в историю отрасли

Издавна порошковое серебро, золото и медь применяли в искусстве живописи, керамике. В процессе геологических исследований на территории Древнего Египта найдены железные орудия, в Дели – железный памятник. Изделия изготавливались кричной технологией: железную руду нагревали горнами при температуре в 1000 градусов, получали крицу (губчатый материал), затем проковывали неоднократно и в финале снижали количество пор нагревом. Доменное производство на время вычеркнуло порошковую металлургию из способов металлообработки.

Возвращением к порошковой металлургии мы обязаны русским ученым В.В. Любарскому и П.Г. Соболевскому. В 1826 г. учеными разработана методика прессования, заданного спекания порошка платины. С этого момента порошковая металлургия в виде отрасли науки получила новую жизнь. Важные моменты в истории развития отрасли:

  • 1924 г. - Т.М. Алексеенко-Сербин организует лабораторию по внедрению новых технологий обработки металлов в Москве на электроламповом заводе;
  • 1932 г. – получение порошкового электролитического железа и вольфрамового порошка в масштабных объемах на механическом заводе в Ленинграде;
  • 1953-1957 гг. – использование металлотермического восстановления для изготовления порошкообразных сложнолегированных сталей;
  • после 1957 г. – изготовление спеченных материалов на базе железа с пропиткой медью, заполнением пор материала стеклом, введением углерода.

Стандартная технология производства подразумевает 4 этапа: получение порошка из сырья, формование заготовок, последующее спекание, финишную обработку. Каждый этап влияет на свойства будущего изделия.

Производство порошковых металлов, свойства материалов

Способы получения из разного сырья металлических порошков многочисленны и разнообразны, что обуславливает вариации свойств изделий, финансовых показателей и качества. Выделяют 2 способа производства:

  1. Физико-механический (переработка сырья помолом, дроблением на фракции и грануляцией, направленным распылением, резкой). Химический состав не меняется.
  2. Химико-металлургический (сырье подвергается восстановлению окислами, а еще термической диссоциации и электролизу). Меняется агрегатное состояние сырья, химический состав.

Физико-механическое измельчение сырья

Под измельчением понимают разрушение твердых материалов под воздействием извне до частиц определенного размера. Измельчение осуществляют размолом и дроблением, истиранием.

Механическое измельчение выгодно применять в отношении кремния и марганца, сурьмы и хрома, а также других хрупких металлов. Если речь о меди и других вязких металлах, сырьем служит обрезка заготовок, стружка и другие отходы.

Воздействуют на сырье сжатием и ударными механизмами, срезают послойно. Последний способ – когда требуется тонкое измельчение. Грубое размельчение выполняют валковыми, щековыми, конусными дробилками. Финальный помол происходит в мельницах разных типов (вихревых и центробежных, вибрационных и др.).

В отношении жидких металлов применяется грануляция, распыление. Это доступный и нетрудоемкий способ создания порошкового железа, алюминия и свинца, а также цинка, меди и иных металлов, плавящихся в условиях нагрева до 1600 градусов. Воздействие заключается в дроблении расплавленной струи жидкостью, энергонасыщенным газом, целенаправленном распылении, а также в сливании расплава в воду или другую жидкость. В результате распыления получают частицы разных форм (капля, шар и др.).

Восстановление с помощью химико-металлургических методик

Восстановительный процесс из окислов заключается в объединении металла, имеющего неметаллические включения (хлорные, кислородные, солевые остатки), с восстановителем (водородом и газом, углем, кадмием и пр.).

Сырьем для выпуска кобальтового, никелевого и медного порошка становятся окиси, закиси металлов и окалина от проката. Процесс восстановления осуществляют в трубчатых и муфельных печах с участием специально подготовленного природного газа, диссоциированного аммиака и водорода. Этап занимает до 3 часов. Результат – губка, легко растираемая в порошок.

Электролиз отличается экономической выгодой в отношении получения чистого медного порошка. Суть метода заключается в разложении водного раствора / расплавленной соли металла под воздействием электрического тока. Результатом становится осевший на катодном элементе металл в виде частиц разных форм, габаритов. Размеры частичек зависят от наличия ПАВ и коллоидов, от плотности электротока.

Карбонильный процесс - формирование карбонила (соединения с окисью углерода) из сырья и последующее образование порошка в ходе нагрева и ожидаемого разложения карбонила. Так получают никелевые, железные, кобальтовые, вольфрамовые и прочие порошки.

Свойства порошков

Металлические порошки на этапах производства получают определенные химические и физические, а также технологические свойства.

Химические свойства

Итоговые свойства варьируются от выбранной методики изготовления порошкообразного металла, химических компонентов сырья, используемого в производстве. Базовый металл в порошке остается на уровне 98-99%, остальное – примеси в изученном количестве. Исключением являются никелевые, железные, медные и другие металлические окислы, легко образующие в ходе нагрева атомы, которые улучшают спекаемость полученных порошков.

В металлических порошках есть азот, водород и другие газы, попавшие в сырье и адсорбированные с поверхности. В электролитических порошках присутствует водород, в карбонильных – примесь кислорода и двуокиси углерода, а в распыленных – газообразные вещества, участвующие в процессе производства. До прессования полученных на производстве порошков из них удаляют избыток газов вакуумированием, чтобы избежать растрескивания готовых изделий при спекании.

Физические свойства

Определяются формой, размерами, плотностью и другими характеристиками. Форма зависит от выбранного способа производства:

  • карбонильный – сферическая;
  • восстановительный – губчатая;
  • измельчение мельницей – осколочная;
  • вихревое дробление – тарельчатая;
  • электролиз – дендритная;
  • распыление – каплевидная.

Размеры частиц варьируются от долей мкм до десятых долей мм. Наиболее широкий диапазон встречается в порошках, сделанных с помощью электролиза, восстановления.

Плотность зависит от дефектов в кристаллической решетке, наличия примесей в закрытых порах. Определяется пикнометром.

Микротвердость определяет способность частиц порошка к деформированию. Показатель зависит от наличия и характера примесей.

Технологические свойства

Определяются текучестью, формуемостью, насыпной плотностью и прессуемостью.

Текучесть указывает на скорость, с которой взятая условно единица объема заполнится порошком. От показателя зависит производительность в ходе прессования.

Прессуемостью называют способность приобретать конкретную плотность на этапе прессования, а формуемостью – возможность сохранять определенную форму.

Формование порошка из металла

Цель процесса – придать порошковым заготовкам планируемые размеры и форму, добиться нужной плотности и механической прочности. Формование охватывает несколько операций:

  1. Отжиг. Повышает пластичность и прессуемость.
  2. Классификация. Суть заключается в разделении порошков по габаритам частиц с помощью проволочных, протирочных сит и воздушных сепараторов.
  3. Создание смеси. Смешивают порошки от разных металлов до однородного состава в смесителях, с помощью шаровых мельниц.
  4. Дозирование. Отделение заданных объемов порошковой смеси. Бывает дозирование по весу и объему.
  5. Формование. Выполняется прессованием (изостатическим и мундштучным, а также динамическим и в прессформе), прокаткой, шпикерным формованием.

Дополнительные операции

Технология производства включает дополнительные операции, направленные на повышение точности и чистоты полученной поверхности, улучшение механических и физико-химических параметров. К дополнительным процессам относят пропитку с помощью жидких металлов и масла, механическую и химико-температурную обработку, нитроцементацию, диффузионное хромирование, калибрование.

Какие изделия выпускает порошковая металлургия

Металлокерамические материалы в ряде областей эффективно заменяют латунь, бризу и другие подшипниковые сплавы с антифрикционными характеристиками. Подшипники скольжения изготавливают из пористого железа и железографита, из бронзографита. Наличие пор позволяет образоваться прочной пленке, что снижает трение и продлевает срок службы деталей.

Фрикционные и антифрикционные, «потеющие» материалы и фильтры входят в группу пористых изделий. Применяются в роли фильтров, электродов. Если в щелочном аккумуляторе используют высокопористые пластины никеля, изделие имеет меньшую массу и размеры по сравнению со стандартным аккумулятором.

Фильтры из нержавейки, стойкие к коррозии, дешевле изделий из чистого никеля. Они нужны в очистке от примесей жидкого литья, а также мартеновского и доменного газа. Пористые материалы используются для защиты авиатранспорта от обледенения, создания местного нагрева и охлаждения перегретых механизмов.

Перспективы развития отрасли

Продукция, полученная с помощью методов порошковой металлургии, за счет своих структурных особенностей отличается термостойкостью, гораздо лучше относится к температурным колебаниям, напряжению. Развитие отрасли тормозится стоимостью порошков, особыми требованиями к среде спекания, сложностью в производстве крупногабаритных заготовок.

Актуальные достоинства и недостатки отрасли – временные факторы, зависящие от развития данной сферы и сопутствующих направлений промышленности. Со временем порошковая металлургия способна завоевать другие области или будет вытеснена. За счет развития плазменного, а также электроннолучевого и дугового плавления, наряду с электроимпульсным нагревом, удается достичь температурных условий, недоступных ранее. Это снизило роль порошковой металлургии в общем производстве. Одновременно технологии нивелировали недостатки технологии – сложности в получении предельно чистых металлов, выпуске особо крупных заготовок.

Развитие и дальнейшее внедрение порошковой металлургии нельзя недооценивать. Япония и США каждый год расширяют отрасль, вкладывая немалые средства. Производство порошковых металлов за 1964-1994 гг. в Японии возросло в 114 раз, в США – в 43,5 раза.

Российская порошковая металлургия представлена Краснопахарским и Уральским заводом, другими предприятиями. Даже в кризис предприятия выжили, расширили производство. Это доказывает пользу и востребованность отрасли. Глобальный прирост населения требует технологий, дающих значимый экономический эффект в условиях массового производства. Поэтому отрасль требует мощных усилий в развитии.

Назад к списку спецпредложений