Технологические свойства порошков

Маленко П.И.,

Кандидат технических наук, доцент

 

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине

 

ТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

 

Направление подготовки (специальность): 15.04.01 Машиностроение

Профиль подготовки (специализация):

Машины и технология сварочного производства

Форма обучения: очная

 

Тула 2016 г.

Конспект лекций составлен и утвержден на заседании кафедры СЛиТКМ политехнического института,

            протокол №   1   от «28»        08        2015 г.

 

            Зав. кафедрой                              А.А. Протопопов

 

Конспект лекций пересмотрен и утвержден на заседании кафедры СЛиТКМ политехнического института,

            протокол №_ от «_____»_________ 20__г.

 

                     Зав. кафедрой                              А.А. Протопопов

Содержание

Лекция 1.	Производство деталей из металлических порошков.
Лекция 2.	Композиционные армированные материалы.
Лекция 3.	Биметаллические материалы.
Лекция 4.	Строение полимеров. Состав пластмасс. Виды пластмасс.
Лекция 5.	Термореактивные и термопластичные полимеры. Газонаполненные и слоистые пластмассы.
Лекция 6.	Технология производства изделий из пластмасс.
Лекция 7.	Обработка пластмасс в твердом состоянии.
Лекция 8.	Соединение пластмассовых деталей.
Лекция 9.	Технологические основы конструирования деталей из пластмасс.
Лекция 10.	Технические резины.
Лекция 11.	Наноматериалы. Нанотехнологии.

ЛЕКЦИЯ 1

ПРОИЗВОДСТВО ДЕТАЛЕЙ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ

План лекции.

1. Общие сведения.

2. Технологические свойства порошков.

3. Способы получения металлических порошков.

3.1. Механические способы.

3.2. Химические способы.

3.3. Физико-химические способы получения металлических порошков.

4. Составление смеси порошков.

5. Способы формообразования заготовок из порошков.

6. Прогрессивные технологии изготовления деталей из порошков.

6.1. Штамповка деталей с последующей термической обработкой.

6.2. Холодное выдавливание деталей из спеченных порошковых заготовок.

6.3. Выдавливание с активными силами трения.

6.4. Дополнительное легирование заготовок.

6.5. Холодное формование высокоплотных деталей из порошковых сталей с последующим спеканием.

6.6. Формование тонкостенных втулок из железного порошка.

7. Отделочные операции.

8. Технологические требования, предъявляемые к конструкциям деталей из металлических порошков.

9. Прочие порошковые сплавы.

10. Перспективы развития порошковой металлургии.

 

Общие сведения.

Порошковая металлургия - отрасль технологии, занимающаяся получением порошков металлов и металлоподобных соединений, и изделий из них или их смесей с неметаллическими порошками без расплавления основного компонента.

Из имеющихся разнообразных способов обработки металлов порошковая металлургия занимает особое место, так как позволяет получать не только изделия различных форм и назначений, но и создавать принципиально новые материалы, которые другим путем получить или очень трудно, или невозможно. У таких материалов можно получить уникальные свойства, в ряде случаев существенно повышаются экономические показатели производства. При этом способе, практически в большинстве случаев коэффициент использования материала (95…97 %, 100 %).

Подсчитано, что использование 1 тыс. тонн деталей из порошков высвобождает от 1,5 до 2 тыс. тонн проката и отливок. На Горьковском автозаводе, например замена бронзы металлокерамическими материалами на основе железного порошка при изготовлении только шести деталей позволила сэкономить 370 тонн металла, в том числе около 115 тонн бронзы.

Порошковая металлургия находит широчайшее применение для различных условий работы деталей изделий. Методами порошковой металлургии изготовляют изделия, имеющие специальные свойства: антифрикционные детали узлов трения приборов и машин (втулки, вкладыши, опорные шайбы и т.д.), конструкционные детали (шестерни, кулачки и др.), фрикционные детали (диски, колодки и др.), инструментальные материалы (резцы, пластины резцов, сверла и др.), электротехнические детали (контакты, магниты, ферриты, электрощитки др.) для электронной и радиотехнической промышленности, композиционные (жаропрочные и др.) материалы.

Порошки металлов применяли и в древнейшие времена. Порошки меди, серебра и золота применяли в красках для декоративных целей в керамике, живописи во все известные времена. При раскопках найдены орудия из железа древних египтян (за 3000 лет до н.э.), знаменитый памятник из железа в Дели относится и 300 году нашей эры. До XIX века не было известно способов получения высоких температур (около 1600… 1800 °С).

Указанные предметы из железа были изготовлены кричным методом: сначала в горнах при температуре 1000 °С восстановлением железной руды углем получали крицу (губку), которую затем многократно проковывали в нагретом состоянии, а завершали процесс нагревом в горне для уменьшения пористости. На Киевской Руси железо получали за 1400 лет до новой эры.

С появлением доменного производства от крицы отказались и о порошковой металлургии забыли.

Заслуга возрождения порошковой металлургии и превращения ее в особый технологический метод обработки принадлежит русским ученым П.Г. Соболевскому и В.В. Любарскому, которые в 1826 г., за три года до работ англичанина Воллстана, разработали в лаборатории Петербургского горного кадетского корпуса (в последствии горного института) технологию прессования и спекания изделий из тугоплавкого металла платины.

В конце столетия начали готовить из тугоплавкого вольфрама нити для электроламп, медно-графитовые щетки для электрических машин, изготовить которые обычными металлургическими методами было невозможно.

В дальнейшем порошковая металлургия начала находить все новые и новые области применения.

Порошковой металлургией получают детали из особо тугоплавких металлов таких как вольфрам, тантал, молибден с температурой плавления свыше 1600 °С. Тугоплавкие карбиды, бориды, нитриды могут быть получены только методами порошковой металлургии. Температура спекания изделий из тугоплавких карбидов титана, циркония, гафния превышает 2000 °С, для карбидов ниобия и тантала достигает 2500…2700 °С.

Способами порошковой металлургии можно получать пористые материалы и детали из них, материалы из металлов нерастворимых друг в друге (вольфрам и медь, железо и свинец и др.).

Велика роль порошковой металлургии в создании деталей для космических кораблей. Из металлических порошков делают фильтры для топливных систем ракет, детали для узлов двигателей, магниты, сопла и др.

Материалы порошковой металлургии, в частности, железографит и бронзографит заменяют бронзу, латунь, медь, никель и другие цветные металлы и сплавы; электроконтактные композиции позволяют сократить расход серебра, золота, иридия и платины.

Особую группу изделий, производство которых освоено в порошковой металлургии, представляют "керметы". Это тугоплавкие окислы и другие соединения, сплавленные с металлами. Они выдерживают очень высокие температуры (несколько тысяч градусов) и, соответственно, применяются в областях техники, связанной с действием высоких температур (реактивная техника, котлостроение, металлургия).

Во всем этом большая заслуга принадлежит русским, советским и российским ученым и практикам.

Еще одной важной отраслью порошковой металлургии является производство металлургических порошков, предназначенных для непосредственного использования (краски, пиротехнические и взрывчатые смеси, катализаторы, и др.).

Спектр применения спеченных материалов и изделий во всех областях техники очень широк.

В металлообрабатывающей промышленности – это твердосплавные инструменты; в горнодобывающей и нефтяной промышленности – наплавочные и армирующие твердые сплавы и алмазно – металлические композиции, применяемые для оснащения бурового инструмента; в металлургической промышленности – присадочные порошковые металлы и ферросплавы – модификаторы. В сварочной технике порошки применяют для наплавки, специальной резки и изготовления обмазок. В машиностроении, приборостроении, транспортном машиностроении, автомобилестроении и авиации метод порошковой металлургии используют для изготовления различных износостойких деталей машин и механизмов, изделий с высокими антифрикционными и фрикционными свойствами.

В современной электротехнике трудно указать прибор или устройство, в которых не находили бы применения спеченные изделия, идет ли речь о тончайших электронных приборах или крупнейших энергетических сооружениях и печных агрегатах.

Однако на пути развития порошковой металлургии встречаются и трудности, которые в известной степени ограничивают масштабы производства спеченных материалов и изделий. Прежде всего – это сравнительно высокая стоимость исходных порошков и инструмента для формирования заготовок, что делает экономически выгодным лишь крупномасштабное производство. Это обстоятельство в основном справедливо по отношению к производству различных машиностроительных деталей на основе железного порошка. Во многих других случаях уникальные свойства спеченных изделий обеспечивают технико – экономические преимущества методу порошковой металлургии и при значительно меньших масштабах производства.

Современное машиностроение определило новые изыскания в порошковой металлургии с использованием разнообразных вариантов горячего прессования, всестороннего (изостатического) прессования, пропитки жидкими металлами пористых заготовок (шликерное формирование), динамическое прессование, в том числе с помощью энергии взрыва. На пути изысканий возникла и проблема прокатки порошков, ныне успешно решенная в России и за рубежом.

Технологический процесс производства изделий методом порошковой металлургии состоит из следующих основных операций:

- получение порошка металла или смеси порошков разнородных материалов,

- формование заготовок,

- спекание (нагрев),

- окончательная обработка (доводка, калибровка, уплотняющее обжатие, термообработка).

Основные направления развития порошковой металлургии:

- создание и освоение новых технологических процессов и оборудования для производства порошков;

- преодоление трудностей при производстве спеченных материалов и изделий со специфическими свойствами, недостижимыми другими технологическими способами (например, литьем с последующей механической обработкой),

- разработка новых технологий формирования и спекания машиностроительных деталей, в основном сложной формы с использованием как холодного, так и новых способов формования - изостатического и горячего динамического прессования, штамповки, прокатки, электроразрядного спекания и энергии взрыва;

- создание и освоение производства спеченных дисперсно - упрочненных и армированных волокнами жаропрочных композиционных и огнеупорных материалов на основе порошков бескислородных тугоплавких соединений, порошков металлов и сплавов;

- создание и освоение производства спеченных материалов для деталей машин, приборов, оснастки, работающих в условиях действия высоких напряжений, температур, агрессивных сред, инертных сред и интенсивного износа;

- создание и освоение новых электроконтактных материалов для разрывных и скользящих контактов, приборов и др.;

- совершенствование и разработка новых технологий получения порошков высоколегированных инструментальных и жаропрочных сплавов;

- усложнение геометрии, повышение точности размеров деталей и сведения к минимуму их окончательной обработки;

- получение деталей из порошков с применением горячей ковки;

- преодоление трудностей при получении порошков из титана, циркония, рения, тория и др., а также при формовании их в изделия.

 

Технологические свойства порошков.

Металлические порошки состоят из очень мелких частиц (0,5…500 мкм) различных металлов и сплавов.

Основными технологическими свойствами порошков являются текучесть, прессуемость, спекаемость, насыпная масса.

Текучесть - способность порошка заполнять форму. Текучесть ухудшается с уменьшением размеров частиц порошка и повышением влажности. Количественной оценкой текучести является скорость вытекания порошка через отверстие диаметром 1,5…4,0 мм в секунду.

Прессуемость - характеризуется способностью порошка уплотняться под действием внешней нагрузки и прочностью сцепления частиц после прессования. Прессуемость порошка зависит от пластичности материала частиц, их размеров и формы и повышается с введением в его состав поверхностно - активных веществ.

Под спекаемостъю понимают прочность сцепления частиц в результате термической обработки прессованных заготовок.

Насыпанная масса – масса единицы объема свободно насыпанного порошка. Стабильность насыпанной массы обеспечивает постоянную усадку при спекании. Она зависит главным образом от формы и размеров частиц.