1. Основні етапи технології виробництва виробів з порошків.

Отримання та підготовка порошків

Існуючі методи отримання порошків підрозділяють на механічні і фізико-хімічні. До механічних відносяться: дроблення і премілювания в різних млинах; розпилення струменя розплавленого металу гвинтами, що обертаються, або струменем стислого газу; грануляція розплавленого металу при литті: в рідину; обробка металу різанням з отриманням частинок, а не зливної стружки.

Грануляція і обробка різанням дозволяють одержувати досить грубі порошки, а при роздрібненні матеріалу в різних млинах к. к. д. процесу дуже малий. Крім того, механічні методи не дозволяють регулювати ні форму частинок порошку, ні його склад. Тому домінуюче місце у виробництві порошків займають фізико-хімічні методи. Основні з них це відновлення оксидів і інших з'єднань, електроліз водних розчинів і розплавлених середовищ, дисоціація карбонилів при нагріванні, міжкристалічна корозія.

Відновлення оксидів і інших з'єднань - один з поширених і економічних способів отримання металевих порошків. Початковою сировиною служать оксиди і галогеніди, відновником - або гази (водень, дисоційований аміак, конвертований природний газ і ін.), або твердий вуглець у вигляді коксу або сажі, або метали (алюміній, кальцій, магній, натрій).

Газоподібні і тверді вуглецеві відновники застосовують для отримання порошку заліза. Різні газоподібні відновники використовують для виробництва порошків міді, нікелю, кобальту. Відновлення оксидів воднем дозволяє виготовляти порошки вольфраму і молібдену. Порошки титана, цирконію, танталу і ніобію одержують металотермічним способом - відновлюючи їх металами або гідридом кальцію. Порошки легованих сталей і ніхромів також одержують відновленням гідридом кальцію. Для цього суміш залізного порошку, закису нікелю, окислу хрому і гідриду кальцію нагрівають до 1100-1200 °С. Так можна одержувати порошки легованих сталей будь-якої марки.

Електролізом водних розчинів солей одержують порошки міді, нікелю, срібло, електролізом розплавів - пороші титана і танталу.

Дуже чисті, але дорогі порошки заліза, нікелю і кобальту одержують карбонільним способом. Для цього низькосортне, з домішками, сировину обробляють оксидом вуглецю СО при 50-200°С і тиску 5-10 МПа. Утворюються карбоніли - з'єднання типу Ме_а(СО)_ь. Карбоніли заліза, кобальту і нікелю легкоплавкі і киплять при температурах до 100°С, карбоніли хрому, молібдену і вольфраму киплять при 150-180°С. Летучість перерахованих карбонілів дозволяє відгонкою відділяти чисті карбоніли від домішок. Потім при температурах 200-300°С карбоніли розкладають на метал і CO. Цим способом дуже легко одержувати і порошки сплавів: достатньо перемішати рідкі карбоніли. Карбонільні порошки використовують переважно для виготовлення постійних магнітів.

Деякі марки порошків наведені в табл. 2.1.

Таблиця 2.1. Марки порошків

Матеріал	Марка порошку	ДСТУ або ТУ
Залізо	ГТЖ2, ПЖ4	ДСТУ 9849 - 74
Вольфрам	ПВ-0, ПВ-1	ТУ 48-19-101 -84
Мідь	ПМС-1, ПМС-2, ПМС-б	ДСТУ 4960 - 75
Нікель електролітичний	ПНЕ-1	ДСТУ 9722—71
Нікель карбонільний	ПНК-0Т2, ПНК-2Т2	Теж саме
Хром	Х95	ДСТУ 5905—79
Хром	ПХ1С	ТУ 141 -1474—75
Кобальт	ПК-1, ПК-2	ДСТУ 9721—79
Свинець	ПСА, ПСІ, ПС2	ДСТУ 16138—78
Олово	ПО-1, ПО-2	ДСТУ 9723—73
Кремній	Кр0,Кр1 ПРОХ18Н9, ПРХ18Н9*	ДСТУ 2169—69
Сталь легована	ПРОХ18Н9, ПРХ18Н9*	ДСТУ 14086—68
	ПХ17Н2, ПХ18Н15, ПХЗО, ПХ18Н9Т, ПХ18Н12М2Т**	ДСТУ 13084—67
Г рафіт	ГК-2, ГК-3	ДСТУ 9849—74
Дисульфід молібдену	ДМ-1, ДМ-2	ТУ 48-19-133—75

* Порошки ПГ отримують розпилюванням розплаву повітрям або інертним газом. ’"’"Порошки отримують загальним відновленням оксидів гідридом кальцію.

Порошок перед пресуванням заготівлі повинен пройти попередню обробку. Вона включає:

а) відпал порошку - звичайно у відновній атмосфері. При цьому видаляються оксидні плівки, знімається наклеп, підвищується пластичність. Відпал в атмосфері з добавками хлору або фтору дозволяє рафінувати порошки: галогеніди кремнію, марганцю і деяких інших елементів летучі. Тому домішки цих елементів видаляються при відпалі;

б) розсів порошку на фракції, здійснюють для того, щоб потім використовувати зерно заданого розміру. Зерна більше 50 мкм розсіюють на фракції за допомогою набору сит, а більш дрібні зерна - в повітряному сепараторі;

в) змішування порошків; для цього використовують різноманітні змішувачі, а також кульові млини. Рівномірне перемішування порошків досягається тим легше і швидше, чим ближче густини змішуваних компонентів. При великій різниці густини потрібні спеціальні заходи, щоб запобігти розшаруванню суміші в процесі приготування і при тривалому зберіганні.

Формування порошків

Формування - це додання порошковому матеріалу форми, розмірів, густини і міцності, необхідної для виконання подальших операцій виготовлення виробу. Існує багато методів формування порошків. Найбільш поширений з них - пресування в сталевій прес-формі. Схема найпростішої прес-форми наведена на рис. 2.1. Вона складається з матриці і двох пуансонів, іцо стискають шар порошку. Пресування може бути одностороннім, коли тільки один пуансон переміщається відносно матриці і двостороннім, коли жваві обидва пуансони. Тиск пресування знаходиться звичайно в межах від 300 до 800-1000 МПа; тверді сплави пресують під меншим тиском - 100-150 МПа, оскільки частинки карбідів крихкі і при надмірному тиску дробляться.

Переміщення частинок при пресуванні приводить до виникнення «бічного тиску», тобто тиск порошку на бічні стіни, а також «зовнішнього ісртя», тобто тертя порошку об стіни. Зсув частинок порошку перпендикулярно лінії додатку тиску, ускладнено через тертя і зчеплення між частинками. Тому бічний тиск менше тиску пресування і складає 25-40% від нього. Втрати енергії на зовнішнє тертя тим більше, чим більше висота пресованого виробу. Зовнішнє тертя «з'їдає» до 60-90 % тиску пресування і призводить до нерівномірності ущільнення по висоті. Максимальною буде іуотина виробу під пресуючим пуансоном (на деякій відстані від нього, оскільки позначається тертя порошку об пуансон), мінімальною - у дна матриці. Нерівномірно ущільнення і по площині, перпендикулярній дії сил: у псрхній частині виробу краю щільніше, в нижній - центр щільніше. Диостороннє пресування дозволяє зменшити нерівномірність ущільнення, але

не вирішує проблему - воно як би рівносильно зменшенню висоти пресування удвічі.

Один з найбільш радикальних способів зменшити тертя і поліпшити процес ущільнення (підвищити густину і зменшити розкид її за об'ємом пресування) - це застосування мастил. Мастило можна вводити в пресований порошок або змазувати нею стіни прес-формн. В якості мастил використовують стеаринову кислоту і її солі, парафін, гліцерин, дисульфід молібдену і інші речовини. Кількість мастила коливається в межах 0,1-0,15%; воно зменшується з підвищенням розмірів зерен порошку і збільшенням активності мастила. Зі зростанням висоти пресованого виробу зростає потрібна кількість мастила.

Рис. 2.1. Схема найпростішої прес - форми: 1,4- пуансони; 2 - матриця; 3 - порошок

Після пресування до пресовки необхідно докласти зусилля, щоб витягнути її з форми. Це зусилля називають тиском виштовхування. Воно складає 25-40% від тиску пресування, і тим більше, ніж вище пресований виріб і менше його поперечний перетин.

Після зняття навантаження і звільнення з прес-форми, пресування розширюється, причому не хвилини і години, а дні і тижні. Вона «розпухає» і навіть може руйнуватися. Розширення пресування визивається дією внутрішніх напруг. Це явище називається пружною післядією. Розмір пружної післядії складає 3-5 % у напрямі пресування і 1-5 % в перпендикулярному напрямі. Тому час між пресуванням і спіканням не повинне перевищувати декількох годин.

Поширеним варіантом формування є ізостатичне пресування. Єство його в наступному. Порошок поміщають в гумову оболонку завтовшки 0,1-

1. 15 мм, ущільнюють вібрацією і вакуумують, шоб повітря в порах не заважало ущільненню. Потім оболонку з порошком переносять в робочу камеру, в яку нагнітають рідину або газ під великим тиском. Порошок в оболонці рівномірно обжимається з усіх боків, при цьому зовнішнє тертя порошку відсутнє, оскільки оболонка переміщається разом з порошком. Густина пресування виходить практично однакова, а тиск пресування для досягнення заданої густини набагато менший, ніж при пресуванні в сталевих прес-формах.

Ізостатичне пресування з обжиманням рідиною (масло, вода, гліцерин) називається гідростатичним, а з обжиманням газом - газостатичним. Гідростатично пресують циліндри, труби, кулі, тиглі і вироби складної форми. Маса пресування може досягати 500 кг. Спрощеним варіантом всебічного обжимання є пресування в сталевих прес-формах, покритих потовщеною еластичною оболонкою. Оболонки виготовляють з різних органічних речовин і використовують багато разів. Оболонка з маси на основі натурального каучуку витримує до 1000 циклів пресування. Основні недоліки ізостатичного пресування - низька продуктивність процесу і невисока розмірна точність пресувань.

Стрічки із порошків і їх сумішей формують прокаткою між двома гладкими валками. Міцність пресування достатня для подальшого спікання. Одночасне плющення порошків двох різних металів або металевого листа з шаром порошку дозволяє одержувати багатошаровий прокат. На сьогодні широке застосування одержує прокатка у вакуумі або інертному середовищі порошків з хімічно активних металів - титана, танталу, цирконію. Прокаткою можна одержувати тільки вироби малої товщини, оскільки кут захвату порошків не перевищує 13°.

Довгомірні заготовки типу прутків, труб, кутів одержують мундштучним пресуванням. Для цього порошок з пластифікатором поміщають до контейнеру і видавлюють із нього пуансоном через отвір в мундштуку. В якості пластифікаторів використовують парафін, полівиніловий спирт, крохмаль і інші речовини. Процес схожий з пресуванням злитків металу. Як правило, пресований порошок підігрівають. Це дозволяє при пресуванні металів обходитися без пластифікаторів. Алюміній і його сплави пресують при 400-600°С, мідь при 800-900°С, нікель і сталі при 1050-1250°С. Хімічно активні метали (титан, цирконій, берилій) пресують в захисних середовищах або в захисних оболонках зі скла, графіту або металевої фольги.

Судини і вироби складної форми, які важко виготовляти звичайними способами пресування, одержують шлікерним формуванням. Цей процес полягає в заливці в пористу форму шлікера - однорідної концентрованої суспензії порошку в рідині. Кількість порошку складає 40-70 %. Рідина вбирається в пори форми, а частинки порошку осідають на її стінах, створюючи твердий шар. Формування шару займає 1-60 хв залежно від товщини стіни виробу, потім виріб виймають і сушать при 100-150°С. Відносна густина отриманих виробів може досягати 60 %.

Останніми роками при пресуванні стали застосовувати імпульсні навантаження і вібрації. Додаток навантаження з високими швидкостями і вібрація дозволяють одержувати більш щільні і однорідні пресування.

Спікання - вирішальна операція у формуванні властивостей виробу. Воно завжди повинне забезпечувати збільшення міцності виробу і у багатьох випадках - збільшення густини. Головним, що обумовлює процеси при спіканні є велика поверхнева енергія порошків: площа поверхні порошків складає декілька квадратних метрів на один грам маси. Прагнення системи до зменшення поверхневої енергії призводить до виникнення так званого «капілярного тиску», під дією якого відбувається перебіг речовини, утворюються контакти між частинками і зменшується пористість.

Спікання багатокомпонентних сумішей може здійснюватися як в твердій фазі (твердофазне спікання), так і у присутності рідкої фази (рідкофазне спікання). Твердофазне спікання проводять при температурах

1. 7-0,9 абсолютної температури плавлення найбільш легкоплавкого компоненту суміші. На початковій стадії спікання, завдяки поверхневій дифузії, відбувається розширення ділянок контакту частинок порошку і збільшується зчеплення частинок. При цьому пустоти між частинками поступово сфероідезуються, набувають округлу форму, але об'єм пустот не змінюється. На подальших стадіях спікання відбувається об'ємна дифузія, зменшується об'єм пор і пресування в цілому (йде усадка пресування). Витримка пресування при постійній температурі супроводжується спочатку швидкою усадкою, потім усадка уповільнюється і розміри виробу стабілізуються. Якщо після цього збільшити температуру ізотермічної витримки, то знову спочатку швидко пройде ущільнення виробу, а потім його розміри і густина стабілізуються. І так при кожному новому підйомі температури. Густина і міцність виробів, які спікаються істотно залежать від атмосфери, в якій проводять спікання.

Відновні середовища переважніше нейтральних газів, оскільки відновлення оксидних плівок на частинках порошку прискорює спікання. Повно і швидко проходить спікання у вакуумі. Тривалість витримки при спіканні - від півгодини до декількох годин. Отримати безпористий матеріал при твердофазному спіканні практично не вдається.

Рідкофазне спікання дозволяє одержувати істотно більш щільні вироби, ніж твердофазне. Вони можуть бути практично безпористими (пористість менше 1-2%). Рідка фаза полегшує спікання тільки тоді, коли вона добре змочує тверду фазу. Інакше вона гальмує спікання. Розплави металів добре змочують чисті металеві поверхні, а також поверхні тих неметалічних речовин (карбідів, нітридів, бориду, оксидів і ін.), із якими вони взаємодіють. Розрізняють спікання з рідкою фазою, котра залишається до кінця процесу і спікання із зникаючою рідкою фазою. З рідкою фазою, що залишається, спікають матеріали на основі заліза, які містять мідь, фосфор, сірку. Характерні приклади спікання із зникаючою рідкою фазою - виробництво постійних магнітів, бронзових і бронзографітних матеріалів. Так, при спіканні

сплавів мідь - олово - графіт олово плавиться спочатку, потім воно поступово розчиняє мідь і рідка фаза зникає.

У виробництві деяких видів виробів застосовують пропитку спресованого і спеченого каркаса з тугоплавкої речовини легкоплавким сплавом. Так, пропитують мідь свинцем, карбід титана сталлю, вольфрамове волокно міддю і міднонікелевими сплавами. Основна умова пропитки - змочування тугоплавкої речовини розплавом. Пропитку виконують зануренням пористого каркаса в розплав або кладуть на пористий каркас шматочок легкоплавкого сплаву і розплавляють його в захисному середовищі; під дією капілярних сил відбувається просочення каркаса.

Спечені вироби у ряді випадків піддають додатковій обробці. Основні її види це регулювання структури і розмірна обробка виробів. Регулювання структури здійснюється термообробкою, доведення виробів за розміром - калібруванням або механічною обробкою. Калібрування здійснюють в спеціальних калібруючих прес-формах. Зусилля калібрування складає 10-25 % від зусилля пресування. Калібрування - майже завжди обробна операція. Вона дозволяє досягти 1-2 класу точності при 7-9 класах чистоти поверхні. Механічна обробка спечених виробів трудомістка і зв'язана з ускладненнями через пористість, вириви і важко отримати необхідну чистоту поверхні. Виконують механічну обробку на великих швидкостях твердосплавним ріжучим інструментом із спеціально підібраними кутами заточування.