Порошковая металлургия - Powder metallurgy

Железный порошок обычно используется для спекания

Порошковая металлургия ( ПМ ) - это термин, охватывающий широкий спектр способов изготовления материалов или компонентов из металлических порошков . Процессы PM могут избежать или значительно снизить необходимость использования процессов удаления металла , тем самым резко снижая потери урожая при производстве и часто приводя к снижению затрат.

Порошковая металлургия также используется для того, чтобы уникальные материалы невозможно было получить путем плавления или формования другими способами. Очень важным продуктом этого типа является карбид вольфрама (WC). WC используется для резки и формовки других металлов и состоит из частиц WC, связанных с кобальтом. Он очень широко используется в промышленности для инструментов многих типов, и во всем мире ~ 50 000 тонн в год (т / год) производится PM. Другие продукты включают спеченные фильтры, пористые пропитанные маслом подшипники, электрические контакты и алмазные инструменты.

С появлением в 2010-х годах аддитивного производства на основе металлических порошков в промышленных масштабах , селективное лазерное спекание и другие процессы металлического порошка стали новой категорией коммерчески важных применений порошковой металлургии.

Обзор

Пресса и порошковая металлургия агломерата процесс обычно состоит из трех основных этапов: порошок смешивание (измельчение), умирают уплотнения и спекание. Уплотнение обычно проводят при комнатной температуре, а процесс спекания при повышенной температуре обычно проводят при атмосферном давлении и при тщательно контролируемом составе атмосферы. Для получения особых свойств или повышенной точности часто следует дополнительная вторичная обработка, такая как чеканка или термообработка .

Один из старых таких методов, который до сих пор используется для производства структурных компонентов из сплавов на основе железа (около 1 млн т / год), представляет собой процесс смешивания мелкодисперсных (<180 микрон) порошков металлов (обычно железа) с такими добавками, как смазка. воск, углерод , медь и / или никель , прессование их в матрицу желаемой формы с последующим нагреванием сжатого материала («сырая часть») в контролируемой атмосфере для связывания материала путем спекания. Таким образом получаются точные детали, обычно очень близкие к размерам штампа, но с пористостью 5–15% и, следовательно, с характеристиками полукованой стали. Есть несколько других процессов PM, которые были разработаны за последние пятьдесят лет. Это включает:

  • Поковка из порошка: «Преформа», изготовленная обычным методом «прессования и спекания», нагревается, а затем подвергается горячей штамповке до полной плотности, что приводит к практически деформируемым свойствам.
  • Горячее изостатическое прессование (ГИП): здесь порошок (обычно распыляемый газом, сферического типа) заливается в форму, обычно состоящую из металлической «банки» подходящей формы. Банку подвергают вибрации, затем откачивают и запечатывают. Затем его помещают в горячий изостатический пресс, где он нагревается до гомологической температуры около 0,7 и подвергается внешнему давлению газа ~ 100 МПа (1000 бар, 15000 фунтов на квадратный дюйм) в течение нескольких часов. В результате получается фасонная деталь полной плотности с деформируемыми или лучшими свойствами. HIP был изобретен в 1950-60-х годах и начал тоннажное производство в 1970-80-х годах. В 2015 году он использовался для производства ~ 25000 т / год нержавеющей и инструментальной стали, а также важных деталей из суперсплавов для реактивных двигателей.
  • Литье металла под давлением (MIM): здесь порошок, обычно очень мелкий (<25 микрон) и сферический, смешивается с пластиковым или восковым связующим почти до максимальной твердой нагрузки, обычно около 65 об.%, И подвергается литью под давлением, чтобы сформировать "зеленый" часть сложной геометрии. Затем эту часть нагревают или обрабатывают другим способом для удаления связующего (удаления связующего) с получением «коричневой» части. Затем эта деталь спекается и дает усадку на ~ 18%, чтобы получить сложную готовую деталь с плотностью 95–99% (шероховатость поверхности ~ 3 мкм). Производство было изобретено в 1970-х годах, и с 2000 года его производство увеличилось, и в 2014 году его предполагаемый мировой объем составил 12 000 тонн на сумму 1265 миллионов евро.
  • Технологии спекания с использованием электрического тока (ECAS) полагаются на электрические токи для уплотнения порошков, что позволяет значительно сократить время производства (с 15 минут самого медленного ECAS до нескольких микросекунд самого быстрого), не требуя длительного нагрева печи и позволяя почти теоретические плотности, но с недостатком простых форм. Порошки, используемые в ECAS, позволяют избежать использования связующих благодаря возможности прямого спекания без необходимости предварительного прессования и зеленого прессования. Формы предназначены для окончательной формы детали, поскольку порошки уплотняются при заполнении полости под приложенным давлением, что позволяет избежать проблемы изменения формы, вызванной неизотропным спеканием, и деформаций, вызванных гравитацией при высоких температурах. Наиболее распространенной из этих технологий является горячее прессование , которое использовалось для производства алмазных инструментов, используемых в строительной отрасли. Искровое плазменное спекание и электроэрозионная ковка - это две современные промышленные коммерческие технологии ECAS.
  • Аддитивное производство (AM) - это относительно новое семейство методов, в которых используются металлические порошки (среди других материалов, таких как пластмассы) для изготовления деталей путем лазерного спекания или плавления. Этот процесс быстро развивается по состоянию на 2015 год, и на данном этапе, возможно, неясно, можно ли его классифицировать как процесс управления проектами. Процессы включают в себя 3D-печать , селективное лазерное спекание (SLS), селективное лазерное плавление (SLM) и плавление электронным лучом (EBM).

История и возможности

История порошковой металлургии и искусство спекания металлов и керамики тесно связаны друг с другом. Спекание включает изготовление твердого твердого металла или керамической детали из исходного порошка. Древние инки изготавливали украшения и другие артефакты из порошков драгоценных металлов, хотя массовое производство изделий из PM началось только в середине или конце 19 века. В этих ранних производственных операциях железо извлекалось вручную из металлической губки после восстановления, а затем повторно использовалось в виде порошка для окончательного плавления или спекания.

С помощью порошковых процессов можно получить гораздо более широкий спектр продуктов, чем путем прямого легирования плавленых материалов. При плавлении « правило фаз » применяется ко всем чистым и комбинированным элементам и строго определяет распределение жидких и твердых фаз, которые могут существовать для определенных составов. Кроме того, для легирования требуется плавление всего тела исходных материалов, что накладывает нежелательные химические, термические ограничения и ограничения на производство. К сожалению, обращение с порошками алюминия / железа создает серьезные проблемы. Другие вещества, которые особенно реагируют с кислородом воздуха, такие как титан , спекаются в специальной атмосфере или с временными покрытиями.

В порошковой металлургии или керамике можно изготавливать компоненты, которые в противном случае разложились бы или распались. Все соображения, связанные с фазовыми переходами твердое и жидкое, можно игнорировать, поэтому порошковые процессы более гибкие, чем методы литья , экструзии или ковки . Контролируемые характеристики продуктов, полученных с использованием различных порошковых технологий, включают механические, магнитные и другие нетрадиционные свойства таких материалов, как пористые твердые частицы, агрегаты и интерметаллические соединения. Конкурентные характеристики производственной обработки (например, износ инструмента, сложность или возможности поставщика) также можно строго контролировать.

Технологии производства порошков

Любой плавкий материал можно распылить. Было разработано несколько методов, которые позволяют получить большие объемы порошкообразных частиц, часто со значительным контролем над диапазоном размеров конечной совокупности зерен. Порошки могут быть получены дроблением, измельчением, химическими реакциями или электролитическим осаждением. Чаще всего используются порошки на основе меди и железа.

Порошки элементов титана, ванадия, тория, ниобия, тантала, кальция и урана получены путем высокотемпературного восстановления соответствующих нитридов и карбидов . Субмикрометровые порошки железа, никеля, урана и бериллия получают восстановлением оксалатов и формиатов металлов . Чрезвычайно мелкие частицы также были получены путем направления потока расплавленного металла через струю высокотемпературной плазмы или пламени , распыляя материал. Различные химические и связанные с пламенем процессы измельчения используются частично для предотвращения серьезной деградации поверхности частиц кислородом воздуха.

В тоннажном отношении производство порошков железа для изготовления конструктивных деталей из ПМ значительно превосходит производство всех порошков цветных металлов вместе взятых. Практически все порошки железа производятся с помощью одного из двух процессов: губчатого железа или распыления воды.

Процесс губчатого железа

Наиболее давно установленным из этих процессов является процесс губчатого железа, ведущий пример семейства процессов, включающих восстановление оксида в твердом состоянии. В процессе отобранная руда магнетита (Fe 3 O 4 ) смешивается с коксом и известью и помещается в реторту из карбида кремния. Затем заполненная реторта нагревается в печи, где в процессе восстановления остается железный «пирог» и шлак. На последующих этапах реторта опорожняется, губка из восстановленного железа отделяется от шлака, измельчается и отжигается.

Полученный порошок имеет очень неправильную форму частиц, что обеспечивает хорошую «прочность до спекания», так что прессованные прессованные прессованные изделия можно легко обрабатывать перед спеканием, а каждая частица содержит внутренние поры (отсюда и термин «губка»), так что хороший зеленый прочность доступна при низких уровнях плотности уплотнения.

Губчатое железо является сырьем для всех самосмазывающихся подшипников на основе железа, и до сих пор на его долю приходится около 30% использования порошка железа в конструктивных деталях из ПМ.

Распыление

Распыление осуществляется путем пропускания потока расплавленного металла через отверстие при умеренном давлении. Газ вводится в поток металла непосредственно перед тем, как он выходит из сопла, что служит для создания турбулентности, поскольку увлеченный газ расширяется (из-за нагрева) и выходит в большой сборный объем за пределами отверстия. Сборный объем заполнен газом, чтобы способствовать дальнейшей турбулентности струи расплавленного металла. Потоки воздуха и порошка разделяются с помощью гравитационного или циклонного разделения . Большинство распыленных порошков подвергаются отжигу, что помогает снизить содержание оксидов и углерода. Распыленные водой частицы меньше, чище, непористые и имеют больший размер, что позволяет лучше уплотняться. Частицы, полученные с помощью этого метода, обычно имеют сферическую или грушевидную форму. Обычно они также покрывают себя слоем оксида.

Есть три типа распыления:

  • Распыление жидкости
  • Распыление газа
  • Центробежное распыление

Доступны простые методы распыления, при которых жидкий металл проталкивается через отверстие с достаточно высокой скоростью, чтобы обеспечить турбулентный поток. Обычно используемый показатель производительности - это число Рейнольдса R = fvd / n, где f = плотность жидкости, v = скорость выходящего потока, d = диаметр отверстия и n = абсолютная вязкость. При низком R струя жидкости колеблется, но при более высоких скоростях поток становится турбулентным и разбивается на капли. Энергия накачки применяется для образования капель с очень низким КПД (порядка 1%), и контроль распределения по размерам получаемых металлических частиц довольно слабый. Другие методы, такие как вибрация сопла, асимметрия сопла, множественные встречные потоки или впрыск расплавленного металла в окружающий газ, все доступны для повышения эффективности распыления, получения более мелких зерен и сужения распределения частиц по размерам. К сожалению, трудно выбрасывать металлы через отверстия диаметром менее нескольких миллиметров, что на практике ограничивает минимальный размер зерен порошка примерно 10 мкм. Распыление также дает широкий спектр размеров частиц, что требует последующей классификации путем просеивания и переплавки значительной части границы зерен.

Центробежный распад

Центробежное разложение расплавленных частиц предлагает один способ решения этих проблем. Имеется обширный опыт работы с чугуном, сталью и алюминием. Металл, подлежащий измельчению, формируется в стержень, который вводится в камеру через быстро вращающийся шпиндель. Напротив наконечника шпинделя находится электрод, от которого возникает дуга, нагревающая металлический стержень. По мере того как материал наконечника плавится, быстрое вращение стержня отбрасывает крошечные капельки расплава, которые затвердевают, прежде чем ударяются о стенки камеры. Циркулирующий газ выметает частицы из камеры. Подобные методы можно использовать в космосе или на Луне. Стенку камеры можно было вращать для нагнетания новых порошков в удаленные сосуды для сбора, а электрод можно было заменить солнечным зеркалом, сфокусированным на конце стержня.

Альтернативный подход, способный обеспечить очень узкое распределение размеров зерен, но с низкой производительностью, заключается в быстро вращающейся чаше, нагретой до температуры намного выше точки плавления измельчаемого материала. Жидкий металл, вводимый на поверхность резервуара около центра со скоростью потока, отрегулированной так, чтобы позволить тонкой металлической пленке равномерно скользить по стенкам и по краю, разбивается на капли, каждая из которых приблизительно равна толщине пленки.

Другие техники

Другая технология производства порошка включает тонкую струю жидкого металла, пересекаемую высокоскоростными потоками распыленной воды, которые разбивают струю на капли и охлаждают порошок, прежде чем он достигнет дна бункера. В последующих операциях порошок сушат. Это называется распылением воды. Преимущество распыления воды состоит в том, что металл затвердевает быстрее, чем при распылении газа, поскольку теплоемкость воды на несколько порядков выше, чем теплоемкость газов. Поскольку скорость затвердевания обратно пропорциональна размеру частиц, более мелкие частицы могут быть получены с использованием распыления воды. Чем меньше размер частиц, тем более однородной будет микроструктура. Обратите внимание, что частицы будут иметь более неправильную форму, а их гранулометрический состав будет шире. Кроме того, некоторое поверхностное загрязнение может произойти из-за образования пленки окисления. Порошок может быть уменьшен с помощью какой-либо предварительной обработки, такой как отжиг, используемый для изготовления керамических инструментов.

Уплотнение порошка

Металлический родий : порошок, прессованная таблетка (3 × 10 5 фунтов на кв. Дюйм), переплавленная.

Прессование порошка - это процесс прессования металлического порошка в фильере под действием высокого давления. Обычно инструменты удерживаются в вертикальном положении, при этом пуансон формирует дно полости. Затем порошок прессуется в форму и выбрасывается из полости матрицы. В некоторых из этих приложений детали могут потребовать очень небольшой дополнительной работы для их предполагаемого использования; изготовление для очень рентабельного производства.

Плотность уплотненного порошка увеличивается с увеличением давления. Типичный диапазон давлений от 80 фунтов на квадратный дюйм до 1000 фунтов на квадратный дюйм (от 0,5 МПа до 7 МПа), были получены давления от 1000 до 1000000 фунтов на квадратный дюйм. Давление от 10 т / дюйм² до 50 т / дюйм² (от 150 МПа до 700 МПа) обычно используется для уплотнения металлического порошка. Чтобы достичь одинаковой степени сжатия для компонента с более чем одним уровнем или высотой, необходимо работать с несколькими нижними пуансонами. Цилиндрическая заготовка изготавливается одноуровневой оснасткой. Более сложную форму можно получить с помощью обычных многоуровневых инструментов.

Обычно производительность составляет от 15 до 30 деталей в минуту.

Существует четыре основных класса стилей инструментов: уплотнение одним действием, используемое для тонких плоских компонентов; противоположное двойное действие с двумя движениями пуансона, вмещающее более толстые компоненты; двойного действия с плавающей плашкой; и штамп двойного действия. Классы двойного действия дают гораздо лучшее распределение плотности, чем одинарное действие. Инструмент должен быть спроектирован так, чтобы выдерживать экстремальное давление без деформации и изгиба. Инструменты должны быть изготовлены из полированных и износостойких материалов.

Более качественные материалы заготовки можно получить путем повторного прессования и повторного спекания.

Прессование штампа

Пресс для прессования порошков

Преобладающей технологией формования изделий из порошковых материалов, как с точки зрения тоннажа, так и количества произведенных деталей, является прессование в штампе. На рынке доступны механические, сервоэлектрические и гидравлические прессы, при этом наибольший расход порошка обрабатывается гидравлическими прессами. Эта технология формования включает производственный цикл, включающий:

  1. Заполнение полости матрицы известным объемом порошкового сырья, подаваемого из загрузочного башмака.
  2. Уплотнение порошка в матрице с помощью штампов для формирования прессованной детали. Обычно давление уплотнения прикладывается через пуансоны с обоих концов набора инструментов, чтобы уменьшить уровень градиента плотности в прессовке.
  3. Выталкивание прессовки из матрицы с помощью извлечения нижнего пуансона (ов) из матрицы.
  4. Удаление прессовки с верхней поверхности матрицы с помощью загрузочного башмака на стадии заполнения следующего цикла, системы автоматизации или робота.

Этот цикл предлагает легко автоматизированный и высокопроизводительный процесс.

Соображения по дизайну

Вероятно, самое основное соображение - это возможность удалить деталь из штампа после того, как она нажата, а также избежать острых углов в конструкции. Рекомендуется поддерживать максимальную площадь поверхности ниже 20 квадратных дюймов (0,013 м 2 ) и отношение высоты к диаметру ниже 7: 1. Наряду с толщиной стенок более 0,08 дюйма (2,0 мм) и сохранением соотношения толщин прилегающих стенок ниже 2,5: 1.

Одним из основных преимуществ этого процесса является его способность создавать сложные геометрические формы. Детали с поднутрениями и резьбой требуют вторичной обработки. Типичные размеры деталей варьируются от 0,1 квадратных дюймов (0,65 см 2 ) до 20 квадратных дюймов (130 см 2 ). по площади и от 0,1 до 4 дюймов (от 0,25 до 10,16 см) в длину. Однако можно изготавливать детали размером менее 0,1 квадратного дюйма (0,65 см 2 ) и более 25 квадратных дюймов (160 см 2 ). по площади и от долей дюйма (2,54 см) до приблизительно 8 дюймов (20 см) в длину.

Изостатическое прессование

В некоторых операциях прессования, таких как горячее изостатическое прессование (ГИП), формирование компакта и спекание происходят одновременно. Эта процедура вместе с методами сжатия под действием взрыва широко используется при производстве высокотемпературных и высокопрочных деталей, таких как диски турбин для реактивных двигателей. В большинстве применений порошковой металлургии прессовку подвергают горячему прессованию, нагревают до температуры, выше которой материалы не могут оставаться деформированными. Горячее прессование снижает давление, необходимое для уменьшения пористости, и ускоряет процессы сварки и деформации зерна. Это также позволяет лучше контролировать размер продукта, снижает чувствительность к физическим характеристикам исходных материалов и позволяет прессовать порошок до более высоких плотностей, чем при холодном прессовании, что приводит к более высокой прочности. К отрицательным аспектам горячего прессования относятся более короткий срок службы штампа, более низкая производительность из-за нагрева порошка и частая необходимость в защитной атмосфере на этапах формования и охлаждения.

Изостатическое прессование порошка

Изостатическое прессование порошка - это процесс формования с сохранением массы. Мелкие металлические частицы помещают в гибкую форму, а затем к форме прикладывают высокое давление жидкости, в отличие от прямого давления, прикладываемого лицевыми поверхностями пресс-формы. Полученное изделие затем спекают в печи, что увеличивает прочность детали за счет связывания металлических частиц. Этот производственный процесс производит очень мало металлолома и может использоваться для изготовления самых разных форм. Допуски, которые может обеспечить этот процесс, очень точны и составляют от +/- 0,008 дюйма (0,2 мм) для осевых размеров и +/- 0,020 дюйма (0,5 мм) для радиальных размеров. Это наиболее эффективный тип уплотнения порошка (следующие подкатегории также взяты из этого справочника). Эта операция обычно применима только для небольших производственных партий, хотя стоимость пресс-формы намного ниже, чем стоимость пресс-форм, она, как правило, не может использоваться повторно, а время производства намного больше.

Давление уплотнения находится в диапазоне от 15 000  фунтов на квадратный дюйм (100 000  кПа ) до 40 000 фунтов на квадратный дюйм (280 000 кПа) для большинства металлов и приблизительно от 2 000 фунтов на квадратный дюйм (14 000 кПа) до 10 000 фунтов на квадратный дюйм (69 000 кПа) для неметаллов. Плотность изостатически уплотненных деталей на 5-10% выше, чем при использовании других процессов порошковой металлургии.

Оборудование

Для изостатического прессования порошков используется много типов оборудования. Это форма, содержащая гибкую деталь, гибкая внешняя форма, работающая под давлением, которая содержит и герметизирует форму, и машина, обеспечивающая давление. Есть также устройства для контроля количества давления и того, как долго оно удерживается. Машины должны оказывать давление от 15 000 до 40 000 фунтов на квадратный дюйм (от 100 до 280 МПа) для металлов.

Геометрические возможности

Типичные размеры заготовок варьируются от 0,25 дюйма (6,35 мм) до 0,75 дюйма (19,05 мм) и длины от 0,5 дюйма (12,70 мм) до 10 дюймов (254 мм). Можно уплотнять детали толщиной от 0,0625 дюйма (1,59 мм) до 5 дюймов (127 мм) и длиной от 0,0625 дюйма (1,59 мм) до 40 дюймов (1016 мм).

Стиль инструмента

Изостатические инструменты доступны в трех стилях: свободная форма (влажный мешок), грубая форма (влажный мешок) и фиксированная форма (сухой мешок). Свободная форма - это традиционный стиль изостатического уплотнения, который обычно не используется для высокопроизводительных работ. В инструментах со свободной формой форма удаляется и заполняется за пределами канистры. Влажный мешок - это то место, где форма находится в канистре, но заполнена снаружи. В инструментах с фиксированной пресс-формой форма находится внутри контейнера, что упрощает автоматизацию процесса.

Горячее изостатическое прессование

Основная статья: Горячее изостатическое прессование

Горячее изостатическое прессование (HIP) сжимает и спекает деталь одновременно за счет нагрева в диапазоне от 900 ° F (480 ° C) до 2250 ° F (1230 ° C). Газ аргон является наиболее распространенным газом, используемым в HIP, поскольку он является инертным газом, что предотвращает химические реакции во время работы.

Холодное изостатическое прессование

Холодное изостатическое прессование (CIP) использует жидкость как средство приложения давления к форме при комнатной температуре. После снятия деталь еще нужно спекать. Это помогает равномерно распределять давление по уплотнительному материалу, находящемуся в резиновом мешке.

Соображения по дизайну

Преимущества перед стандартным прессованием порошка заключаются в возможности получения более тонких стенок и более крупных деталей. Отношение высоты к диаметру не имеет ограничений. Не существует особых ограничений в отношении вариаций толщины стенок, поднутрений , рельефов, резьбы и поперечных отверстий. Для изостатического прессования порошка не требуются смазочные материалы. Минимальная толщина стенки составляет 0,05 дюйма (1,27 мм), а вес продукта может составлять от 40 до 300 фунтов (от 18 до 136 кг). Усадка порошка после прессования составляет от 25 до 45%.

Спекание

Основная статья: Спекание

После уплотнения порошковые материалы нагревают в контролируемой атмосфере в процессе, известном как спекание. Во время этого процесса поверхности частиц связываются и достигаются желаемые свойства.

Спекание из порошковых металлов представляет собой процесс , в котором частица под давлением химически связи к себе , с тем чтобы сформировать форму когерентной при воздействии высокой температуры. Температура, при которой спекаются частицы, обычно ниже точки плавления основного компонента порошка. Если температура выше точки плавления компонента металлического порошка, жидкость из расплавленных частиц заполняет поры. Этот тип спекания известен как спекание в жидком состоянии. Основной проблемой спекания в целом является знание влияния процесса на размеры компактных частиц. Это особенно сложно для инструментальной оснастки, для которой могут потребоваться определенные размеры. Чаще всего спеченная деталь сжимается и становится более плотной, но она также может расширяться или не претерпевать никаких чистых изменений.

Основная движущая сила твердотельного спекания - избыток свободной поверхностной энергии. Процесс твердофазного спекания сложен и зависит от материала и условий печи (температуры и газа). Процессы спекания можно разделить на шесть основных стадий, которые могут перекрываться друг с другом: 1 начальное связывание между частицами, 2) рост шейки, 3) закрытие канала поры, 4) округление поры, 5) уплотнение или усадка пор и 6 ) укрупнение пор. Основными механизмами, присутствующими на этих стадиях, являются испарение , конденсация , границы зерен , объемная диффузия и пластическая деформация .

Большинство печей для спекания содержат три зоны с тремя различными свойствами, которые помогают выполнять шесть этапов, описанных выше. Первая зона, обычно называемая стадией выгорания или продувки, предназначена для сжигания воздуха, сжигания любых загрязняющих веществ, таких как смазочные материалы или связующие, и медленного повышения температуры компактных материалов. Если температура компактных деталей повышается слишком быстро, воздух в порах будет находиться под очень высоким внутренним давлением, что может привести к расширению или разрушению детали. Вторая зона, известная как высокотемпературная стадия, используется для твердотельной диффузии и связывания частиц. Материал стремится снизить свою поверхностную энергию и делает это, двигаясь к точкам контакта между частицами. Точки контакта становятся больше, и со временем образуется твердая масса с небольшими порами. Третья зона, также называемая периодом охлаждения, используется для охлаждения деталей в контролируемой атмосфере. Это важная зона, поскольку она предотвращает непосредственный контакт окисления с воздухом или явление, известное как быстрое охлаждение. Все три стадии необходимо проводить в контролируемой атмосфере, не содержащей кислорода. Водород, азот, диссоциированный аммиак и крекинг-углеводороды являются обычными газами, закачиваемыми в зоны печи, обеспечивая восстановительную атмосферу, предотвращающую образование оксидов.

Во время этого процесса увеличивается ряд характеристик, включая прочность , пластичность , ударную вязкость , а также электрическую и теплопроводность материала. Если порошки различных элементарных частиц будут компактными и спеченными, материал превратится в сплавы и интерметаллические фазы.

По мере уменьшения размеров пор плотность материала будет увеличиваться. Как указывалось выше, эта усадка представляет собой огромную проблему при изготовлении деталей или инструментов, требующих определенных размеров. Усадку исследуемых материалов контролируют и используют для управления условиями печи или для увеличения размеров компактных материалов для достижения желаемых размеров. Однако спекание не уменьшает пористость компактной части . Обычно детали из порошкового металла после спекания имеют пористость от пяти до двадцати пяти процентов.

Чтобы обеспечить эффективную укладку продукта в печь во время спекания и предотвратить слипание деталей, многие производители разделяют посуду с помощью разделительных листов для керамического порошка. Эти листы доступны из различных материалов, таких как оксид алюминия, диоксид циркония и магнезия. Они также доступны с мелкими, средними и крупными частицами. Подбирая материал и размер частиц для спекаемых изделий, можно уменьшить повреждение поверхности и загрязнение при максимальной загрузке печи на партию.

Один из недавно разработанных методов высокоскоростного спекания включает пропускание сильного электрического тока через порошок для предпочтительного нагрева неровностей . Большая часть энергии используется для расплавления той части прессовки, миграция которой желательна для уплотнения; сравнительно мало энергии поглощается сыпучими материалами и формовочным оборудованием. Естественно, этот метод неприменим к электроизоляционным порошкам.

Непрерывная порошковая обработка

Фраза «непрерывный процесс» должна использоваться только для описания способов производства, которые могут быть расширены до бесконечности во времени. Однако обычно этот термин относится к процессам, продукты которых намного длиннее в одном физическом измерении, чем в двух других. Наиболее распространенными примерами являются сжатие, прокатка и экструзия.

В простом процессе сжатия порошок перетекает из бункера в канал с двумя стенками и многократно сжимается по вертикали с помощью горизонтально неподвижного пуансона. После снятия компресса с конвейера уплотненная масса загружается в печь для спекания. Еще более простой подход - распылить порошок на движущуюся ленту и спекать его без сжатия. Однако трудно найти хорошие методы удаления материалов, подвергнутых холодному прессованию, с движущихся лент. Одной альтернативой, которая полностью позволяет избежать трудности снятия изоляции с ленты, является изготовление металлических листов с использованием противолежащих гидроцилиндров , хотя во время последовательных операций прессования могут возникать линии ослабления на листе.

Порошки также можно катать в листы. Порошок металла подается в двухвалковый прокатный стан и прессуется в форму полосы со скоростью до 100 футов в минуту (0,5 м / с). Затем полоса спекается и подвергается повторной прокатке и дальнейшему спеканию. Прокатка обычно используется для производства листового металла для электрических и электронных компонентов, а также монет . Также была проделана значительная работа по одновременному раскатыванию нескольких слоев различных материалов в листы.

Процессы экструзии бывают двух основных типов. В одном типе порошок смешивается со связующим или пластификатором при комнатной температуре; в другом - порошок экструдируется при повышенных температурах без обогащения. Экструзии со связующими широко используются при изготовлении композитов из карбида вольфрама. Трубы, трубы сложной формы и спиральные сверла изготавливаются с увеличенной длиной и диаметром в диапазоне 0,5–300 мм (0,020–11,811 дюйма). Твердосплавные проволоки диаметром 0,1 мм (0,0039 дюйма) были вытянуты из порошкового материала. С другой стороны, могут быть осуществимы большие экструзии на тоннажной основе.

Для более мягких и легких в формовании металлов, таких как алюминий и медные сплавы, также можно проводить непрерывную экструзию с использованием таких процессов, как конформная экструзия или непрерывная ротационная экструзия. В этих процессах используется вращающееся колесо с канавкой по окружности, чтобы пропустить сыпучий порошок через формовочную головку. Благодаря сочетанию высокого давления и сложной траектории деформации частицы порошка деформируются, генерируют большое количество теплоты трения и связываются вместе, образуя объемное твердое тело. Теоретически возможна полностью непрерывная работа, если в процесс можно подавать порошок.

Кажется, что нет ограничений на разнообразие металлов и сплавов, которые могут быть экструдированы, при условии, что задействованные температуры и давления находятся в пределах возможностей материалов фильеры. Длина экструзии может составлять от 3 до 30 м, а диаметр - от 0,2 до 1 м. Современные прессы в основном автоматические и работают с высокими скоростями (порядка м / с).

Температура экструзии обычных металлов и сплавов
Материал Температура экструзии
K ° C
Магний и его сплавы 573-673 300-400
Алюминий и его сплавы 673–773 400–500
Латунь 923–1123 650–850
Никелевые латуни 1023–1173 750–900
Медь 1073–1153 800–880
Медно-никелевый 1173–1273 900–1000
Стали 1323–1523 1050–1250
Монель 1373–1403 1100–1130
Никель 1383–1433 1110–1160
Инконель 1443–1473 1170–1200

Ударная (динамическая) консолидация

Ударная консолидация, или динамическая консолидация, представляет собой экспериментальный метод консолидации порошков с использованием ударных волн высокого давления. Обычно они производятся ударом по заготовке пластиной, ускоренной взрывом. Несмотря на то, что этот метод исследовался в течение долгого времени, он все еще имеет некоторые проблемы с управляемостью и единообразием. Однако он предлагает некоторые ценные потенциальные преимущества. Например, консолидация происходит так быстро, что могут сохраняться метастабильные микроструктуры.

Спекание с помощью электрического тока

Эти методы используют электрические токи для возбуждения или улучшения спекания. Благодаря сочетанию электрического тока и механического давления порошки спекаются быстрее, что сокращает время спекания по сравнению с традиционными решениями для термической обработки. Эти методы можно разделить на две основные категории: спекание сопротивлением, которое включает искровое плазменное спекание и горячее прессование ; и спекание в электрическом разряде, такое как спекание в конденсаторном разряде или его производное, электроэрозионная ковка . Спекание с сопротивлением - это методы упрочнения, основанные на температуре, при которых нагрев формы и порошков осуществляется с помощью электрического тока, обычно с характерным временем обработки от 15 до 30 минут. С другой стороны, методы спекания в электрическом разряде основаны на токах высокой плотности (от 0,1 до 1 кА / мм2) для прямого спекания электропроводящих порошков с характерным временем от десятков микросекунд до сотен миллисекунд.

Специальные продукты

Многие специальные продукты можно получить с помощью технологии порошковой металлургии. Неисчерпывающий список включает нитевидные кристаллы Al 2 O 3, покрытые очень тонкими оксидными слоями для улучшения преломления; прессовки железа с покрытиями Al 2 O 3 для повышения сопротивления ползучести при высоких температурах; накаливания лампочек, изготовленные по порошковой технологии; накладки для фрикционных тормозов; металлические стекла для высокопрочных пленок и лент; тепловые экраны для входа космических аппаратов в атмосферу Земли; электрические контакты для работы с большими токами; магниты ; микроволновые ферриты ; фильтры для газов; и подшипники, которые могут быть пропитаны смазкой .

Чрезвычайно тонкие пленки и крошечные сферы обладают высокой прочностью. Одно из применений этого наблюдения - покрытие хрупких материалов в форме нитевидных кристаллов субмикрометровой пленкой из гораздо более мягкого металла (например, вольфрама с кобальтовым покрытием). Поверхностная деформация тонкого слоя подвергает более твердый металл сжатию, так что, когда весь композит спекается, прочность на разрыв заметно возрастает. При использовании этого метода прочность порядка 2,8 ГПа по сравнению с 550 МПа наблюдалась для карбидов вольфрама с покрытием (25% кобальта) и без покрытия соответственно .

Опасности

Специальные материалы и процессы, используемые в порошковой металлургии, могут представлять опасность для жизни и имущества. Высокое отношение площади поверхности к объему порошков может повысить их химическую реакционную способность при биологическом воздействии (например, при вдыхании или проглатывании) и увеличивает риск взрыва пыли . Материалы, считающиеся относительно безвредными в больших объемах, могут представлять особую токсикологическую опасность в мелкодисперсной форме.

Смотрите также

использованная литература

Цитированные источники

дальнейшее чтение

  • Более ранняя версия этой статьи была скопирована из Приложения 4C из Advanced автоматизации для космических миссий , доклад НАСА в открытом доступе.
  • Р.М. Герман, "Порошковая металлургия и обработка твердых частиц", Федерация порошковой металлургии, Принстон, Нью-Джерси, 2005 г.
  • Ф. Таммлер и Р. Оберакер "Введение в порошковую металлургию" Институт материалов, Лондон, 1993 г.
  • GS Upadhyaya, «Спеченные металлические и керамические материалы», John Wiley and Sons, Западный Суссекс, Англия, 2000 г.

внешние ссылки