Свойства и области применения порошковых материалов

Материалы, изготавливаемые из мелкодисперсного порошка, освобождают конструкторов от иногда длительных и трудоёмких цепочек типовых процессов обработки давлением или литьём. В то время как большинство технологий формования металлов адаптированы преимущественно под круглые цилиндрические заготовки, порошковые материалы открывают для проектировщика широкий спектр вариантов своей конфигурации, притом без риска увеличенных производственных затрат.

Основные характеристики и свойства порошковых материалов

По некоторым оценкам, до 70% всех деталей, изготовленных из металлического порошка, представляют собой чугун с наличием меди и углерода. Во время спекания железо и углерод объединяются, образуя феррит, микроструктура которого весьма схожа с ферритом в сталях.

Медь участвует двояко. В процессе спекания она, как более легкоплавкий компонент, плавится, заполняя поры (хотя в то же время оставляет некоторые пустоты), а, с другой стороны, способствует ускоренному затвердеванию феррита. Добавление других легирующих элементов может повысить прочность или пластичность, улучшить износостойкость и изменить способ чистовой обработки спечённого изделия. Наличие легирующих добавок улучшает следующие характеристики детали:

• обрабатываемость;
• формуемость;
• свариваемость.

Установлено, что, во многих случаях весьма небольшое применение порошковых материалов (по весу) в качестве легирующих элементов может вызывать существенное изменение свойств готовой детали. Это положительно сказывается на себестоимости получения 1 кг продукции, изготовленной из порошковых заготовок.

К другим распространенным материалам, которые получаются из порошков чёрных металлов, относятся нержавеющая сталь (увеличивает коррозионную стойкость и прочность при повышенных температурах) и низколегированная сталь, позволяющая во многих случаях обходиться без термической обработки.

Спекание и закалку порошковых заготовок можно производить за одну операцию, что положительно сказывается на размерной точности готовых изделий.

Многие магнитомягкие материалы, которые используются для изготовления датчиков скорости, соленоидов и прочей электротехнической продукции цепей постоянного тока также получают методами спекания. Из металлопорошков производят магнитно-мягкие детали двигателей и высокочастотных трансформаторов.

Характерные особенности продукции:

1. Повышенная прочность, позволяющая инженеру-конструктору уменьшить размеры детали, сэкономив вес и пространство.
2. Более высокая твёрдость, снижающая износ и увеличивающая срок службы детали.
3. Пористость, что может снизить потребность в специальных покрытиях или смазке.
4. Лучшая обрабатываемость, положительно сказывающаяся на трудоёмкости финишной обработки.
5. Улучшенная свариваемость, которая может устранить необходимость в крепежных деталях.

Данные преимущества имеют значение при массовом применении порошковых материалов, поскольку их себестоимость пока ещё остаётся высокой.

Виды порошковых материалов в зависимости от сферы применения

Применяемость и свойства порошковых материалов определяются способом их получения. В отличие от традиционной металлургии здесь значительно меньше отходов и более высокая экологическая степень чистоты производства, поскольку чаще всего удаётся избежать вторичной обработки продукта. Притом отработанные изделия можно переработать и превратить в новый порошок.

Процесс состоит из нескольких этапов. Вначале выбираются основные компоненты металлопорошка, среди которых преобладают железо, медь, латунь, бронза, легированные стали, алюминий, цинк, олово, кадмий, хром и магний. Некоторые сплавы могут быть предварительно смешаны механическим путём, чтобы добиться желаемого сочетания механических или магнитных свойств.

Способы изготовления металлического порошка:

• твердотельное восстановление;
• распыление;
• электролиз;
• химическая обработка;
• центробежное распыление.

При восстановлении последовательно происходит измельчение и смешивание соответствующей руды с углеродом. После составления смеси её спекают в печи, удаляя излишки углерода и кислорода. Металлическая руда измельчается, а затем смешивается с другим материалом, обычно углеродом. После того, как процесс будет завершён, смесь пропускают через печь, чтобы вызвать термохимическую реакцию, которая уменьшает содержание кислорода и углерода в порошке. Полное восстановление происходит в течение 2…3 смен, в результате получается материал с высокой степенью химической чистоты.

При методе распыления в качестве исходного сырья используется металлолом. Расплавленная мелкодисперсная струя выходит из потока воды или газа. Мелкие капли такой струи затвердевают ранее, чем вступят контакт с поверхностью или друг с другом. Способ эффективен для всех типов металлических расплавов.

При использовании технологии электролиза порошков задаются значениями состава и концентрации электролита, его плотностью и температурой. Способ достаточно дорогой, зато гарантирует наивысшую степень чистоты и плотности порошка. Используется для получения порошков редких металлов, а также меди, где требуется высокая электропроводность изделий.

Химические методы получения используют термическое разложение исходного сырья, а также восстановление из оксидов или растворов. В результате можно производить металлические порошки с очень специфическими качествами. Например, термическое разложение используется в основном для обработки карбонилов, а осаждение из раствора обеспечивает получение порошков высокой чистоты с узким гранулометрическим составом.

Для центробежного распыления расплава используется центрифуги, включающие перфорированный контейнер. Там происходит разделение жидкого металла на капли определенного размера. Скорость центрифугирования можно изменять в зависимости от требующихся результатов.

Конструкционные

Есть еще порошковые композиционные материалы, которые должны отвечать критериям минимальной пористости, наибольшей прочности при различных типах нагрузок, а также характеризоваться хорошей обрабатываемостью. Метод получения таких материалов – любой из описанных ранее.

Технология использования металлопорошков конструкционного направления включает в себя нагрев предварительно спечённых материалов до температуры чуть ниже температуры плавления и последующее прессование/экструдирование нагретой массы через специальную форму (фильеру). Таким образом получают заготовки постоянного поперечного сечения. Для изготовления штучной продукции спекание производится в специальных разъёмных формах, которые изготавливаются из огнеупорных материалов. Формы могут быть разового и многократного применения.

Измельченные для конструктивного использования компоненты измельчаются с помощью шаровых мельниц (исключение составляют металлопорошки, которые в измельчённом состоянии обладают повышенной горючестью). Ряд конструкционных металлопорошков могут производиться из легированных смесей. Они кристаллизуются на атомных уровнях, образуя соединения с равномерно диспергированными частицами, обеспечивающими высокую прочность конечного продукта.

Пористые

Не всегда пористость материала является недостатком. Например, при помощи пористых фильтров производится удаление нежелательных частиц, находящихся в фильтруемой жидкости.

При плотности спеченного металлопорошка в 4…5 г/см3 он считается высокопористым. В этом случае пористость становится балансирующим фактором, определяя оптимальное соотношение между показателями плотности и пористости. Например, деталь с большим количеством крошечных отверстий структурно слабее, чем деталь с небольшим количеством пор. Однако имеются определённые области применения, где потребность в пористости может оказаться решающей.

Приведём несколько примеров:

1. Пористая нержавеющая сталь – оптимальный выбор, когда фильтруемый материал может вызывать коррозию других, менее прочных металлов.
2. Самосмазывающиеся подшипники. Наличие пор позволяет смазке проникать внутрь детали, в результате никакой внешнего смазочного вещества не требуется.
3. Медь считается достаточно инертной по отношению к многим средам и элементам. Вместе с тем в определённых приложениях медные пористые порошки облегчают эксплуатацию конструкций и узлов оборудования.

Однако пористое железо не лишено недостатков. Оно хорошо фильтрует воду, однако такой материал нельзя применять в химически агрессивных средах. Высокую степень пористости имеют детали, спечённые из смеси железа, меди и углерода, однако при эксплуатации возможно образование нежелательных пустот в теле детали, что снизит её прочность. Пористость алюминия, превышающая 50…55 %, повышает риск воспламеняемости изделия при повышенных температурах. Это объясняется пирофорностью данного металла - способностью порошка к самовозгоранию при одновременном выделении большого количества тепловой энергии.

Электротехнические

Электротехнические применения металлопорошков противоречивы и спорны, поскольку одновременно с положительными факторами проявляются и ряд отрицательных. Среди них:

• Увеличение электросопротивления материала с ростом давления его прессования. Для мягких металлов - цинка, свинца, олова и серебра разница меньше, чем для твердых металлов - железа, никеля, вольфрама.
• Электросопротивление спечённых металлопорошков зависит от времени приложения давления. При этом максимум электросопротивления наблюдается в начальный момент прессования, а также при повышении давления.
• Кривые зависимости сопротивления от давления необратимы. При уменьшении давления сопротивление остается близким к своему минимальному значению, полученному для самых высоких давлений, и часто увеличивается, если снизить давление прессования.
• Металлопорошки многих цветных металлов - вольфрама, никеля, серебра, цинка, висмута, железа, меди, сурьмы и платины - обладают меньшим электросопротивлением, чем изготавливаемые выдавливанием из цельного металла. Эффект особенно заметно проявляется при росте твёрдости.
• Увеличение электрического сопротивления зависит от продолжительности давления. Для короткого во времени высокого давления и мягкого металлического порошка кривые зависимости сопротивления от давления, полученные после последующих приложений давления, лежат ниже друг друга.
• Сопротивление прессованного порошка зависит от размера частицы. Оно, как правило, выше, чем мельче частицы.
• Повышение температуры спекания снижает электросопротивление, измеренное при комнатной температуре.

Поэтому порошковые композиционные материалы в электротехнике применяются в ограниченных масштабах.

Для ядерной энергетики

Порошковые материалы в ядерной энергетике используются по двум направлениям – в качестве рабочих деталей атомных реакторов некоторых типов АЭС, а также для эффективной фильтрации отработанной воды в охлаждающих контурах.

Установлено, что для изготовления деталей из металлопорошков целесообразно использовать технологию горячего изостатического прессования. Таким образом можно получать крупные компоненты для атомных электростанций. С технологией горячего изостатического прессования связано множество положительных качеств: снижение затрат на обеспечение безопасности, увеличенный срок службы оборудования и возможность увеличения скорости подачи энергии. Важным ограничением до недавнего времени было повышенное содержание кислорода в порошковом материале, которое может снизить ударную вязкость при ударной нагрузке. Однако в последнее время эта проблема снята, поэтому с помощью порошковой металлургии можно создавать большие детали с чрезвычайно хорошими свойствами материалов для ядерных установок.