Порошковая металлургия

Раздел 2. Порошковая металлургия

Область науки и техники, свя­занная с получением порошков металлов и их сплавов, а также с производством изделий из порошков. Достоинства порошковой металлургии:

—   получение композиций (на основе тугоплавких метал­
лов, их карбидов, нитридов, боридов со значительной разницей
температуры, типа Си—XV, из металлов и неметаллов типа
Си—С, А1—А1₂0₃, которые не удается получать другими спо­
собами;

— сокращение потерь металла, высокая точность размеров у изделий, ненадобность последующей их механической обработ­ки;

— экономное и более экологичное (например, в отличие от литья) получение изделий сложной конфигурации, высокая про­изводительность.

Лекция 2. Способы получения порошков цветных металлов. Механическое измельчение. Распыление расплава

Вопрос 1. способы получения порошков.

Современные способы получения порошков условно разде­ляют на следующие три группы:

— механический — достигается диспергация исходного ме­талла под воздействием внешних сил, а химический состав по­рошка практически не изменяется (истирание, измельчение, рас­пыление расплава, возгонка и др.);

Рекомендуемые материалы

— физико-химический — изменение состава исходного мате­риала в результате протекания окислительно-восстановитель­ных процессов под воздействием внешних реагентов, электриче­ского тока (восстановление из растворов, твердой фазы, элект­ролиз и др.);

— комбинированный — основанный на использовании меха­нических и физико-химических принципов.

Выбор способа получения осуществляют с учетом типа сы­рья, требуемых свойств порошка, экономической эффективнос­ти и экологии.

Вопрос 2. Механическое изельчение

Используют приемы резания, истирания, дробления и из­мельчения.

Резанием получают порошки, крупку металлов, весьма ак­тивных по отношению к кислороду (в частности, порошки маг­ния); используют фрезерные станки или обдирку металла сталь­ными щетками. Способ прост, производителен, но имеет ограни­ченное применение.

В аппаратах дробильно-помольного типа измельчают ме­таллы и соединения, обладающие повышенной хрупкостью (висмут, сурьма, кремний, их сплавы, марганец и др.); иногда для повышения хрупкости в состав сырья предварительно вво­дят добавки оксидов, сульфидов одноименного металла, наво-дораживают (титан, цирконий, тантал), обрабатывают элект­рохимически (никель, Тл—А1, №—Со). При измельчении чаще всего получают частицы осколочной формы, чешуйки, лепест­ки. Последние особенно удобны при использовании порошков для получения химических реактивов, красящих пудр, соста­вов. Порошки отличаются повышенной насыпной массой, не­большой поверхностью. Из-за наклепа возрастает твердость частиц.

Проводят крупное (40—80 мм), среднее (3—10 мм) и мел­кое (0,3—0,7 мм) дробления и измельчение (-150 мкм). Для крупного и среднего дробления используют щековые дробил­ки; мелкое дробление проводят в шаровых мельницах. Из­мельчение, особенно пирофорных порошков, проводят в жид­кой среде (вода, бензол, спирт и др.), в среде инертного газа или в присутствии ингибиторов. Внутреннюю часть футеруют нержавеющей сталью, твердыми сплавами; из этого же мате­риала изготовляют и шары. Измельчение достигается за счет эффекта удара, истирающего воздействия на обрабатываемые материалы. Степень заполнения составляет 40— 50 % объема барабана. На 1 л объема мельницы загружают 1,7—1,9 кг ша­ров, чтобы их масса в 2,5—3,0 раза превышала массу обраба­тываемого сырья. Диаметр шаров принимают около 0,05 вну­треннего диаметра мельницы.

Для обработки 5—8 кг сырья до крупности 150—200 мм тре­буется 24—28 часов, при этом выход годного составляет 50— 90 %, а степень измельчения 50—100.

Вибромельницы, планетарные и вихревые мельницы, ат-триторы применяют для получения небольших партий порош­ка с особыми свойствами. При виброизмельчении загружае­мые в мельницу исходный материал и размольные тела за счет импульсных движений корпуса совершают сложное движение. Вибромельницы различают по типу размола (сухой или мок-

Рис.1. Схема производства порошка распылением водой

1 — приемник с расплавом; 2 — энергоноситель; 3 — форсунка; 4 — бункер; 5 — обезвоживание; 6 — сушка; 7 — рассев; 5 — шихтовка; 9 — контроль; 10 — затаривание

Вопрос 3. Распыление расплава

При распылении (рис.1) диспергация струи расплава металла проис­ходит под воздействием кинетической энергии используемого энергоносителя.

При использовании воды достигают высоких скоростей охлаждения (104—106 град/с), однородность порошка по соста­ву, большую производительность.

Вопрос 3. Твердофазное восстановление. Дисперсность порошка зависит от параметров процесса (тем­пература энергоносителя, его давление), конструкции форсунки и свойств расплава (температура, поверхностное натяжение, пе­регрев, вязкость, плотность, состав).

Повышение давления (расхода и скорости) энергоносителя, температуры расплава и его поверхностного натяжения приво­дит к увеличению выхода мелких фракций порошка. Достоин­ства способа: высокая производительность и, как следствие, простое регулирование крупности частиц порошка, представи­тельный перечень металлов, пригодных для такого способа получения порошков. Однако требуется качественное исход­ное сырье, порошки менее пластичны, заметен выход крупных фракций (>0,1 мм).

Леция 3.Твердофазное восстановление, электролиз, цементация, карбонильный , автоклавный способы

Вопрос 1. Твердофазное восстановление

зключаеится в обработке оксидов солей металлов газообразными или твердыми восстановителями при температурах, включающих расплавление шихты обычно не более 0,7-

Шихта

Вопрос 2. Электролиз.

Способ заключается в обработке растворов или расплавов солей металла наложением электрического тока с образованием на катоде порошкообразного металла.

Получение порошка электролизом обусловлено формирова­нием диффузионных осложнений при зарождении и росте крис­таллической фазы, что достигается использованием высокой плотности тока и разбавленного электролита. Из водных рас­творов получают порошки меди, никеля, кобальта, цинка, сурь­мы, кадмия, свинца, ряда редких и благородных металлов; для получения порошков тугоплавких металлов (2г, "Л, N5, Та, V, Ве) используют поликомпонентные расплавы на основе хлоридов или фторидов.

Варьируя типы и составы электролита, скорость его цирку­ляции, катодную плотность тока, температуру, тип и расход ПАВ, можно регулировать дисперсность и форму частиц в про­цессе электролиза, получать двухкомпонентные порошкообраз­ные сплавы, влиять на морфологию осадка.

Как правило, в качестве анода используют одноименный ме­талл высокой чистоты, а в качестве катода — металл с повы­шенной коррозионной стойкостью, низким электрическим со­противлением, незначительной шероховатостью поверхности, обеспечивающий соответствующее перенапряжение водорода.

От формы катода зависит равномерность плотности тока, условия отделения осадка; чаще всего используют плоскую или стержневую форму катода, иногда — вращающиеся диски или барабаны.

Своевременный съем порошка с катодов обеспечивает вос­производимость его свойств; порошок снимают щетками, скреб­ками, встряхивают катоды вручную, механически, за счет элек­трогидравлического удара.

Последующая обработка пульпы порошка включает обезво­живание (на центрифугах, фильтрах), промывку, стабилизацию от окисления растворами поверхностно-активных веществ, суш­ку, исключающую окисление порошка (в вакууме, в среде газа-восстановителя). При необходимости порошок измельчают, рас­сеивают на фракции, шихтуют их в требуемом соотношении и упаковывают в герметичной таре.

В табл.  приведены основные параметры получения и свойства электролитных порошков ряда металлов. Порошки от­личаются высокой чистотой, а частицы имеют уникальную ден­дритную форму.

Способ характеризуется энергоемкостью, невысокой удель­ной производительностью, трудоемкостью, использованием до­рогого исходного сырья (катодного металла).

Показатели электролиза расплавленных солей для получе­ния порошков тугоплавких металлов приведены в табл. 8.2.

Вопрос 3.  Цементация

Этот способ основан на восстановлении ионов металла с помо­щью более электроотрицательного металла. Таким способом по­лучают порошки меди, ряда благородных металлов. Качество по­рошка в значительной степени зависит от природы металла-осади-теля, который должен удовлетворять следующим требованиям:

— образовывать растворимые соединения, устойчивые при значениях рН рабочего раствора;

— расходоваться в количестве, меньшем стехиометрически необходимого по реакции цементации;

мого водорода, чтобы исключить дополнительный расход и
ускорить завершение процесса.

Аппаратурное оформление и технология способа просты, од­нако чистота получаемого порошка невысокая из-за неизбежно­го загрязнения его металлом-осадителем; высокая стоимость по­следнего снижает экономичность процесса.

Вопрос 4.      Карбонильный метод

Технология основана на способности ряда металлов (никель, кобальт, вольфрам, молибден и др.) при взаимодейст­вии с монооксидом углерода образовывать летучие соедине­ния — карбонилы требуемого металла (Ме(СО)„); при после­дующей термической обработке карбонила он разрушается с образованием порошка металла и регенерацией монооксида углерода:

(Ме,+Ме₂+Ме₃)+nСО    ^Рсо,t→

= (Ме₂ + Ме₃) + М1 (СО) п= Ме, + пСО .

Карбонилирование проводят при 350—500 К и давлении мо­нооксида углерода до 20—25 МПа.

Форма частиц получаемого порошка близка к сферической. Карбонильный способ позволяет:

— получать наиболее химически чистые порошки;

— изменять их дисперсность, варьируя параметры процесса;

— используя в качестве затравки разнообразные материалы, получать поликомпонентные порошки.

Технология отличается невысокой энергоемкостью, обеспе­чивает количественную регенерацию реакционного газа, харак­теризуется высоким уровнем автоматизации. Однако этим спо­собом получают ограниченное число металлов (VI—VIII группы периодической системы), требуются специальные меры безопас­ности и сложное, громоздкое оборудование.

Вопрос 5. Термолиз

Способ основан на термической обработке солей органичес­ких кислот (формиаты металлов, ацетаты, кислоты) в среде во­дорода или инертного газа. При этом получают высокодисперс­ные порошки, свойства которых зависят от температуры, про­должительности обработки, типа и расхода защитного газа. Как правило, получаемые порошки содержат до 5—10 % оксидов, а

форма частиц их близка к равноосной; плотность их 0,4— 0,5 г/см³, а удельная поверхность 4—15 м²/г. Температура начала разложения солей зависит от их приро­ды и составляет 450— 570 К.

Вопрос 6. Автоклавный способ

Физико-химические принципы, используемое оборудование способа описаны в гл. 7. Промышленное значение этот способ имеет для получения порошков никеля, кобальта, композиций на их основе. Параметры и показатели процесса приведены в табл. 7.16, а свойства порошков — в табл. 8.3.

Отличительные особенности процесса:

— высокая скорость осаждения;

— использование разнообразного исходного сырья (концент­раты, полупродукты, вторсырье). Сырье растворяют, и на осаж­дение поступает раствор, содержащий не менее 40—50 г/дм³ из­влекаемого металла. Невысокая стоимость сырья удешевляет получение порошков;

— возможность регулирования свойств порошка в процессе осаждения не только за счет изменения его параметров, но и за счет введения разнообразных затравок и поверхностно-актив­ных веществ;

— возможность осаждения порошков меди, благородных и платиновых металлов;

— получение ультрадисперсных порошков при обработке металлоорганических фаз.

Последующие операции включают обезвоживание пульпы порошка, его сушку, рафинирование в токе водорода; при необ­ходимости порошки измельчают, рассеивают, шихтуют, обеспе­чивая получение требуемой марки.

Порошки никеля, кобальта, полученные автоклавным осаж­дением, содержат, %: 99,5—99,9 основного металла, 0,03— 0,05 Ре, 0,01—0,03 8. Наиболее интересные порошковые компо­зиции: №—Тп0₂, Со—У₃С, №—А1₂0₃, №/А1, №/С.

Вопрос 7. Специальные способы

Возрастает внимание к получению ультрадисперсных (0,1— 0,01 мм) порошков, которые используются как наполнители пластмасс, присадки к маслам, компоненты пирофорных смесей, специальных красок и др. Эти порошки получают химическим осаждением, возгонкой и конденсацией, плазменной обработ­кой, межкристаллитной коррозией, электролизом металла, ор­ганических сред и др.

Электроэрозионный способ — образование частиц при раз­ряде между двумя электродами, расположенными в газовой или токонепроводящей жидкости. Определяющими параметрами процесса является количество подведенной энергии, плотность и тип газовой атмосферы.

Наиболее распространен электроискровой (электроим­пульсный) метод, при котором диспергирование металла про­исходит за счет взрывообразно протекающего электрического разряда (10—40 кВ); изменением параметров разряда регули­руют крупность образующихся частиц; как правило, форма их сферическая. Способ применяют для получения порошков алюминия, карбидов титана, вольфрама, ряда интерметалли-дов.

Способ дезинтеграции (межкристаллитной коррозии) — сплавление двух или нескольких металлов — кристаллизация с заданной скоростью для получения особой кристаллической структуры — селективное удаление из сплава одного из компо­нентов (химическим, электрохимическим, возгонкой) — размол оставшегося конгломерата. Типичным примером является полу­чение порошка никеля из его сплава с алюминием (по 50 % № и А1). Сплав измельчают до крупности — 0,5 мм и обрабатывают щелочным раствором для извлечения алюминия. Остаток из­мельчают, получается ультрадисперсный порошок никеля, ис­пользуемого в качестве катализатора.

Способы специального распыления расплава:

—  воздействие ультразвуковыми волнами (20 кГц, 50 В/см²);

— обеспечение высоких скоростей кристаллизации (10³— 10⁸ К/с) при контакте частиц расплава со сжиженными газами, с переохлажденной поверхностью (барабаны, диски, валки); полу­чают порошки с аморфной структурой, которые обладают улуч­шенными механическими и антикоррозионными свойствами;

— вакуумное распыление; (расплав насыщают инертным газом, а затем направляют расплав в вакуумную камеру; рас­плав «вскипает» в результате быстрого выделения растворен­ного в нем газа, образуя частицы порошка металла не более 50 мкм);

— распыление металлической проволоки: используют дугу, образующуюся между дисковым электродом и поступающей проволокой. Дискретное возникновение дуги способствует обра­зованию дискретных частиц сферической формы крупностью менее 20 мкм;

— электроимпульсное распыление: между истекающей стру­ей расплава и нижерасположенным электродом в защитной сре­де создается достаточная разность потенциала, обеспечивающая диспергацию струи расплава.

Использование плазмы: обеспечивается чистая реакционная атмосфера, гибкое регулирование температуры. Используют плазменные реакторы с переносимой и непереносимой дугой, которые применяют для производства дисперсных порошков ту­гоплавких металлов, керамик, композитов для плакирования. Схема получения порошка: «плазменное испарение — перегрев возгонов — конденсация (в т. ч. в вакууме)». Крупность получа­емых частиц — не более 500 мкм, заметная часть их представле­на аморфной фазой.

Получение металлических коллоидов: их свойства в значи­тельной степени определяются распределением частиц по разме­рам, что зависит от способа и условий получения. Условно суще­ствует 2 способа получения металлических коллоидов — физи­ческие и химические.

Наибольшее распространение среди физических методов по­лучил способ испарения в вакууме с последующей конденсацией паров металлов в инертном газе (аргон, ксенон), специальных жидкостях. При использовании лазерного луча удается получать не только атомы металла, но и кластеры.

Методом «испарение—конденсация» обрабатывают любые металлы с широким диапазоном размеров частиц порошка. Ни­же приведены некоторые примеры:

•— испарением серебра, золота при 1270 К с последующей
конденсацией в атмосфере азота получены частицы размером
7—10 мкм;                                                                         I

— испарением и конденсацией возгонов в этаноле получены частицы Р[, Ре, А§, 81, М§, 1п, Аи крупностью 3—180 мкм;

— испарением металла и конденсацией его паров в органиче­ском растворителе на охлажденной твердой подложке в присут­ствии поверхностно-активных веществ получали частицы М§, Мп, 5т, Си крупностью -30 нм.

Способ предполагает использование сложного оборудования и затратен.

Используют высокочастотный электрический разряд, ульт­развуковую обработку в диметилформамиде или в декане, ин­тенсивное механическое истирание в жидкой дисперсионной сре­де в присутствии стабилизирующих реагентов.

Химические способы основаны на восстановлении ионов ме­таллов из растворов с помощью концентрированных растворов высокоактивных реагентов (гидразин, боргидриды щелочных металлов, спирты). Мельчайшие частицы металлов образуются на стадии диспропорционирования промежуточных ионов ме­таллов с меньшей валентностью. Для стабилизации образую­щихся частиц вводят ПАВы (желатин, поливиниловый спирт, высокомолекулярные органические кислоты и др.).

В ряде случаев используют радиационно-химические методы (у-радиолиз, фотолиз, облучение потоком электронов) для осаж­дения металлических коллоидов из водных, водно-спиртовых и органических сред. Форма осаждаемых частиц — сферическая, крупность их 1—10 мкм. Получают коллоиды золота, серебра, платиноидов, смесей металлов (А§—Си, Аи—РЬ, А§—Аи и др.).

Достоинства химических способов приготовления нанопо-рошков заключаются в их быстроте, использовании простого и доступного оборудования, варьировании мощности установки в зависимости от потребности продукта, получении частиц с за­данными свойствами в момент синтеза.

Масштабы производства подобных порошков небольшие, они предназначены для специальных потребителей. Аппаратур­ное оформление (опасность окисления, пирофорность) таких технологий сложное, а затраты на получение порошков высо­кие.

Лекция 4. Свойства порошков и способы изготовления из них изделий

Вопрос 1. Химические свойства

Различают химические, физические и технологические свой­ства порошков.

Химические свойства характеризуются составом (содержа­нием примесей), токсичностью и пирофорностью. Содержание основного металла в порошках цветных металлов не менее 98— 99 %. Из примесей отметим кислород (в форме оксидов метал-

лов), содержание которого достигает до 1,0—7,0 %, адсорбиро­ванные газы, углерод (0,1—2,0 %). Чистота порошка во многом зависит от чистоты исходного сырья (металл, оксид, раствор) и условий его получения.

Порошки цветных металлов являются токсичными, особен­но для органов дыхания. Предельно допустимые концентрации (ПДК, мг/м³) аэрозолей, металлов в производственной атмосфе­ре достаточно малы и не превышают 6—12.

Пирофорность — способность порошка к самовозгоранию (и даже к взрыву) при длительном контакте с влажным воздухом. В основе этого процесса — экзотермические реакции спонтанного окисления порошков химически активных металлов с развитой поверхностью.

Вопрос 2.  Физические свойства

Форма частиц. Она зависит от способа получения порошков. Типичные формы частиц приведены на рис. 8.3. От формы час­тиц зависят такие свойства, как удельная поверхность, насыпная масса, текучесть, прессуемость порошков. Форму частиц опреде­ляют при увеличении под оптическим (хЮО—500) или электрон­ным микроскопом; разрешающая способность последнего со­ставляет 0,02—1,5 мкм. С помощью сканирующего микроскопа изучается топография поверхности частицы.

Крупность порошка. Порошки являются полидисперсным материалом, степень полидисперсности количественно оценива­ется гранулометрическим составом — содержанием частиц определенной фракции по отношению к общей массе навески.

В зависимости от типа порошка, требуемой точности и опе­ративности определения наиболее часто используют методы рассева, микроскопический, седиментационный; распростране­ны лазерные дифракционные методики.

Способ рассева (ситовой анализ) заключается в обработке навески порошка (50—100 г) на наборе сит с фиксированным размером сетки в течение определенного времени (15—30 ми-

Рис.1. Формы порошков

1-осколочная;-сфрическая;3-губчатая;4-дендритная

нут). Затем взвешивают массу порошка, оставшуюся на каждом сите (фракции со знаком «+») и прошедшую через последнее си­то (минусовая фракция). Определяют долю каждой фракции в процентах по отношению к массе исходной навески. Стандарт­ный набор сит включает сетки следующих размеров, мкм: 150, 100, 74, 44.

Ситовой анализ — оперативный, достаточно надежный и ап-паратурно простой способ определения гранулометрического состава порошков с крупностью частиц не менее 44 мкм. Одна­ко на его показатели влияют форма и текстура частиц, продол­жительность доизмельчения частиц при рассеве.

Микроскопический способ. Под микроскопом с помощью масштабной сетки определяют размеры сотен и даже тысяч час­тиц. Оптическим микроскопом определяют частицы крупно­стью 0,25—100 мкм, электронным — 0,005—6 мкм. Это наибо­лее точный, воспроизводимый, но трудоемкий метод.

Способ седиментации основан на определении скорости и ха­рактера распределения частиц по размерам при их осаждении в жидкой фазе, в условиях ламинарного движения. Этим способом определяют выход частиц крупностью 0,5—100 мкм.

Удельная поверхность (5, м²/г) — наружная и частично вну­тренняя поверхности порошка, отнесенные к единице его массы. Это важная характеристика для порошков, используемых как катализаторы, наполнители в лакокрасочной промышленности; ее учитывают при прессовании, спекании изделий. Удельная по­верхность порошка зависит от дисперсности, формы и текстуры частиц. Ее определяют, оценивая газопроницаемость слоя по­рошка (метод Товарова, Дерягина) или эффективность адсорб­ции (по степени адсорбции красителя, азота, криптона, аргона). Поверхность порошков колеблется в широких пределах: от 0,01 до 20 м²/г.

Плотность (8, г/см³) — удельная масса единицы объема по­рошка; ее определяют пикнометрическим взвешиванием порош­ка в среде воды или толуола, реже используют рентгенографию.

Микротвердость — способность частицы порошка к дефор­мации, что важно при оценке его прессуемости. Эту характерис­тику измеряют на приборах ПТМ-2 или ПТМ-4, фиксируя длину диагонали отпечатка от вдавливания алмазной пирамидки (угол при вершине 136°) при усилии не более 4,9 Н.

Вопрос 3.  Технологические свойства

Насыпная масса (у_нас., г/см³) — масса единицы объема порош­ка при его свободном истечении и заполнении фиксированного объема, ее определяют на приборе волюмометре. Эта характе­ристика важна при объемном дозировании порошка в схемах

прессования, расчете высоты засыпки матрицы, расчете объема расходных бункеров. Чем крупнее частицы и более равноосна их форма, тем больше насыпная масса порошка. Чем меньше на­сыпная масса, тем меньше усадка брикета при спекании.

Текучесть (Т, г/с) — скорость истечения навески порошка через калиброванное отверстие. Эта характеристика важна при объемном дозировании порошка на автоматических линиях прессования. Чем больше поверхность частиц, меньше их круп­ность, тем хуже текучесть порошка.

Прессуемосгпъ — способность порошка влиять на плотность изделия в зависимости от давления прессования. Чем пластичнее порошок, чем больше разветвленность его частиц, тем лучше его прессуемость. Прессуемость оценивают по характеру зави­симости в координатах «относительная плотность брикета — давление прессования».

Формуемостъ — способность изделия из порошка сохранять заданную форму, получаемую при минимальном давлении прес­сования. Она зависит от крупности, формы частиц; чем больше насыпная плотность порошка, тем хуже его формуемость. Каче­ственно формуемость оценивают по барабанной пробе — устой­чивости полученных брикетов к истиранию при вращении бара­бана.

Технологические свойства порошка регулируют, используя ряд подготовительных операций:

— обкатка в барабане, иногда в среде увлажнителя (бензин, спирт), — для улучшения текучести;

— классификация — для выделения наиболее технологич­ных фракций;

— шихтовка и усреднение — для получения смеси с опти­мальной текучестью, прессуемостью;

— отжиг — для повышения пластичности частичного удале­ния серы, углерода, кислорода; операцию проводят в защитной атмосфере или вакууме при температурах не более 0,4—0,6 Т_ш.

Вопрос 4. Производство изделий из порошков

Технологический цикл включает стадию формования (чаще всего приемы прессования, прокатки, экструзии и их разновид­ности) и стадию спекания. Иногда, в зависимости от требований, предъявляемых к готовому изделию, этот цикл («пластическая деформация — спекание») повторяют.

Прессование — получение изделия из порошка, засыпанного в пресс-форму, под воздействием внешнего давления. Известны различные способы прессования в зависимости от условий (хо­лодное,  горячее,  вакуумное),  способа приложения нагрузки

(двухстороннее, модификации изостатического прессования, од­ностороннее), используемого пресс-инструмента, вида техноло­гии (непрерывное, повторное, предварительное) и др.

Навески загружают в форму весовым или объемным мето­дом вручную (при малом объеме производства) или с помощью автоматических дозаторов. При объемном дозировании важна хорошая текучесть порошка; для формирования более равно­мерного и плотного слоя порошка в пресс-формах последние по­мещают на вибрационную площадку.

Пресс-форма (рис. 2) — инструмент, используемый для прессования порошков; состоит из матрицы, верхнего и нижнего пуансонов. Матрица формирует боковую поверхность изделия и вмещает навеску порошка. Верхний пуансон формирует верхний торец изделия, переда­ет давление. Нижний пуансон формирует нижний торец изде­лия и исключает высыпание порошка, загружаемого в мат­рицу.

Конструкция пресс-формы должна обеспечивать получе­ние изделия требуемой формы, размеров, одинаковой плотнос-

Рис. 2/  Схема пресс-формы:

/ — пуансон верхний; 2 — матрица; 3 — навеска порошка; 4 — пуансон нижний

ти во всем объеме изделия, удобство его выпрессовки, длитель­ный срок службы, простоту и экономичность конструкции. Если высота изделия больше диаметра, то используют пресс-форму с подвижными верхним и нижним пуансонами.

Пресс-формы изготавливают из износостойкой стали, внут­реннюю поверхность матрицы упрочняют с помощью термооб­работки.

Прессы — машины, обеспечивающие необходимые сжимаю­щие усилия (давление) при обработке порошковых материалов. Существуют разнообразные типы прессов в зависимости от источ­ника и характера передачи энергии, назначения, рабочего цикла. Наиболее распространены механические (р = 100—1000 кН) и гидравлические (р = 40—100 МН) прессы. Они работают в пе­риодическом режиме и автоматически. Гидравлические прессы обеспечивают плавное уплотнение, что важно при получении из­делий из дисперсных, плохо прессуемых порошков.

В основе типоразмеров прессов заложена 6-значная шкала мощности: 9,8; 15,7; 24,5; 39,2; 61,8; 98,1 кН. Коэффициент пере­счета для определения 2-го и 3-го порядков мощности соответст­венно 10 и 100-кратный относительно величины в первой шкале.

Прокатка порошков — непрерывное формование заготовок из порошка с помощью валков прокатного стана. Этот процесс требует меньше эксплуатационных и капитальных затрат, со­кращается выход отходов в сравнении с прокаткой слитков, осо­бенно при получении тонкомерного проката. Существуют раз­личные способы прокатки в зависимости от расположения осей валков (вертикальная, горизонтальная, наклонная — рис. 8.5), степени нагрева материала (холодная, горячая), формы проката (лист, профиль), режима (периодический, непрерывный). Ско­рость вращения валков 0,3—30 мин^-1.

Для получения качественного проката важную роль играет текучесть порошка: чем она больше, тем больше производи­тельность, кроме того, обеспечивается получение сплошной за­готовки. Скорость прокатки колеблется в пределах 3—25 м/мин. Толщина и плотность проката зависят от состава, крупности, формы частиц порошка, скорости вращения и создаваемого вал­ками давления.

Рис. 3 Основные способы прокатки:

/ — вертикальная; 2 — горизонтальная; 3 — наклонная

Для улучшения качества проката используют отжиг, спека­ние, повторное уплотнение, защитные среды, герметичные кон­тейнеры. Схема цепи аппаратов для получения ленты прокаткой порошка кобальта приведена на рис. 8.6.

Мундштучное прессование (экструзия) — формование заго­товок из порошка (часто в смеси с пластификатором) путем про-давливания его через калиброванное отверстие в матрице (рис. 8.7), определяющее его форму и сечение. Способ позволя­ет получать длинномерные изделия (трубы, прутки, профили) с равномерной плотностью даже из плохо прессуемых порошков, типа вольфрама, молибдена, тугоплавких соединений.

Пластификаторами служат парафин, бакелит, полимерные смолы, расход их составляет 6—10 %. Если вести процесс при на­греве, то пластификатор не требуется. Таким способом форму­ют порошки алюминия и его сплавов при 670—870 К, а порош­ки никеля — при 1400—1500 К. При обработке химически ак­тивных порошков используют защитные среды. Процесс проводят под давлением в несколько сотен мегапаска-лей, обеспечивая скорость прохода материала 5—10 мм/с и степень обжатия (К, %) — не менее 90 %, последняя представляет отношение разности площадей попе­речного сечения отверстия матрицы (5) и мундштука (/) к сечению матрицы:

Рис. 4.  Схема производства ленты из порошка:

/ — порошок кобальта; 2 — прокатный стан; 3 — сформированная лента; 4 — бухта-«моталка»; 5 — печь для обжига бухты; 6 — спеченная лента; 7 — стан горячей прокатки; 8 — водяное охлаждение;

9 — узел размотки ленты; 10 — холодная прокатка / — узел формования; // — узел спекания; /// — узел горячей прокатки; IV — узел калибровки ленты

Ещё посмотрите лекцию "1 Введение" по этой теме.

Рис.   5.   Схема   мундштучного прессования:

1 — пуансон; 2 — матрица; ^ — порошок; 4 — мундштук; 5 — обойма; 6 — изделие

Прессы, используемые для мундштучного прессова­ния, называются экструде-рами. Получаемые изделия подвергают сушке, отжигу или спеканию.

Спекание — обработка при температурах, не превышающих 0,7—0,9 от температур плавления основного компонента шихты с целью упрочнения и уплотнения спрессованных изделий и мак­симального приближения к свойствам компактного материала. В процессе спекания происходит усадка — уменьшение линей­ных и объемных размеров изделия за счет уменьшения его пори­стости. Величина усадки возрастает с повышением температу­ры, особенно для изделий, полученных при невысоких давлени­ях прессования.

Спекание ускоряется при повышенной дисперсности и раз­ветвленное™ частиц порошка, использовании восстановитель­ной среды. Иногда используют жидкофазное спекание — как способ получения прочных и плотных изделий на основе туго­плавких, плохо прессуемых материалов. Например, при спека­нии изделий на основе карбида вольфрама роль связки выполня­ет порошок кобальта, который расплавляется при используе­мых температурах. Восстановительную атмосферу обеспечива­ют за счет подачи предварительно осушенных газов (водород, эндо-, экзогазы, аммиак). Иногда спекание проводят в вакууме; в этом случае требуется более низкая температура, улучшается равномерность распределения жидкой фазы. Выбор защитной среды предполагает и дополнительную очистку изделия от при­месей.

Как правило, при спекании применяют защитные засыпки (асбестовая мелочь, графитовая крупка, кварцевый песок); они позволяют изолировать изделия от окружающей атмосферы, обеспечивать равномерность прогрева, достигать поверхностного легиоровпания,предотвращать взаимное припекание изделий.