Глава 5. Способы производства беспористых порошковых изделий

5.1. Общие положения

Наиболее характерной отличительной чертой порошковых изделий является наличие в них остаточной пористости. Остаточная пористость может быть весьма значительной (до 25 % и более). Поры играют полезную роль в таких порошковых изделиях, как фильтры, самосмазывающиеся подшипники, демпфирующие прокладки и др. Полагают, что пористость можно рассматривать как полезное качество у малонагруженных конструкционных деталей, поскольку пропорционально объему пор снижается масса деталей. В то же время поры, содержащиеся в структуре порошкового материала, снижают его механические свойства, что значительно ограничивает возможность применения пористых порошковых материалов. Зависимость механических свойств порошкового материала от пористости можно представить в виде:

,

(5.1)

где  некоторое механическое свойство пористого материала;  то же свойство беспористого материала; П – доля пор в материале; В  коэффициент, определяемый условиями получения и испытания материала.

В качестве конкретного примера влияния пористости на механические свойства порошковых конструкционных сталей в табл. 5.1 приводятся справочные данные для двух порошковых марок сталей. Сталь СП10 содержит около 0,2 % углерода. Сталь СП60ХН3М содержит в % по массе: углерода 0,55 – 0,65; хрома 0,8 – 1,1; никеля 2,5 – 3,5; молибдена 0,3 – 0,6.

Таблица 5.1

Механические свойства порошковых конструкционных сталей в зависимости от пористости

Марка стали	% пор	Механические свойства (не менее)
		в, МПа	,%	,%	КСU, кДж/м2	НВ, МПа	Е, ГПа
СП10	25 – 16	100	6	10	200	500	80
	15 – 10	120	8	15	350	700	120
	9 – 2	150	12	28	500	800	150
	2	250	18	35	700	900	200
СП60ХН3М	15 – 10	470	4	10	150	1500	130
	9 – 2	580	8	15	300	1700	160
	 2	720	10	25	450	1900	200

Проблема повышения плотности порошковых конструкционных деталей весьма актуальна. В автомобилестроении, где широко применяются конструкционные детали из железных порошков, постоянно растут технические требования по повышению плотности и механических свойств порошковых материалов. За последние 30 лет плотность деталей из железных порошков возросла с 6,6 до 7,4 г/см³ при уровне теоретической плотности ~ 7,75 г/см³.

За рубежом в последние годы интенсивными темпами развиваются технологии производства порошковых заготовок с «полной плотностью» (Full Density Processing). Они уже нашли широкое применение при производстве композиционных материалов, жаропрочных сплавов на основе никеля для газотурбинных двигателей, инструментальных сталей и износостойких материалов, нержавеющих сталей, высокопрочных алюминиевых сплавов для авиационной техники и др. Применение этих технологий в производстве обычных конструкционных материалов сдерживается из-за высокой стоимости металлургического передела. Поэтому при выборе способа уплотнения порошковых заготовок рекомендуется проводить технико-экономический анализ целесообразности применения тех, или иных технологий с учетом технических требований к изделиям и их более высокой стоимостью.

В арсенале порошковой металлургии имеется довольно много способов уплотнения порошков. В предыдущей главе было показано, что даже при твердофазном спекании можно получить заготовки с очень высокой плотностью, используя для этого дисперсные порошки, например, при инжекционном формовании. Жидкофазное спекание также позволяет получать практически беспористые изделия. Однако следует учитывать, что устранение пор далеко не всегда обеспечивает существенное повышение механических свойств потому, что межчастичные контакты (границы) часто бывают ослаблены тонкими, в основном оксидными, пленками. Подобные пленки, невидимые в оптическом микроскопе, естественно, не сказываются на плотности изделия, но резко снижают механические свойства как микротрещины, или подобные им, концентраторы напряжений. Устранить или значительно уменьшить вредное влияние межчастичных дефектов, в том числе и пленок, можно при использовании способов горячей пластической обработки, обеспечивающих значительные сдвиговые деформации в объеме порошкового тела. Ниже рассматриваются основные способы уплотнения порошковых изделий.