Материал: Технология производства порошковых и композиционных материалов

Политика и процедуры

При изучении дисциплины «Технология производства порошковых и композиционных материалов» прошу соблюдать следующие правила:

• 1. Не опаздывать на занятия.
• 2. Не пропускать занятия без уважительной причины, в случае болезни прошу представлять справку, в других случаях - объяснительную записку.
• 3. Отрабатывать пропущенные занятия независимо от причины пропусков.
• 4. Активно участвовать в учебном процессе.
• 5. Быть терпимыми, открытыми, откровенными и доброжелательными к сокурсникам и преподавателям.

Учебно-методическая обеспеченность дисциплины

График выполнения и сдачи заданий по дисциплине

Развитие порошковой металлургии. Свойства порошков

Традиционно применяемые сплавы в известной мере достигли своего предела конструктивной прочности. Развитие современной техники требует создания материалов, надежно работающих в сложной комбинации силовых и температурных полей, при воздействии агрессивных сред, излучений, глубокого вакуума и высоких давлений. Эту задачу можно осуществить путем создания новых материалов, а именно, порошковых и композиционных.

Создание принципиально новых материалов возможно методами порошковой металлургии. Эти методы позволяют получать такие материалы, которые сложно или даже невозможно получать традиционными способами. К таким материалам относятся многослойные композиции, различные комбинации металлических и неметаллических компонентов, пористые материалы с широким диапазоном контролируемой пористости и сочетающих пластичность и твердость, изделия из весьма тугоплавких металлов и т.д. Порошковая металлургия дает возможность свести к минимуму отходы металла в стружку, упростить технологию изготовления деталей и снизить трудоемкость их производства.

Порошковой металлургией называют область техники, занимающейся изготовлением изделий из металлических порошков и металлоподобных соединений. Исходным материалом может быть порошок одного материала, но чаще это смесь различных металлов, а также смесь металлических порошков с порошками неметаллических материалов(C, TiO2, ZrO2, Cr2O3, MgO, SiO2).

Порошковая металлургия имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами производства металлических изделий. Основным из них является возможность получения материалов с уникальными свойствами; материалов, имеющих пористую структуру (сочетающих пластичность и твердость); сплавов, обладающих чрезвычайно высоким сопротивлением электрической эрозии.

Другие преимущества:

• 1. значительно меньше образуется отхода металла (7-10% вместо 40-60% при обычной технологии с применением обработки резанием);
• 2. число операций при изготовлении продукции также значительно меньше;
• 3. более рационально используются отходы: металлическая стружка, окалина прокатных и термических цехов;
• 4. возможно изготовление деталей из весьма тугоплавких металлов;
• 5. практически отсутствует необходимость дополнительной обработки полученных изделий.

Метод производства и природа соответствующего металла, сплава или металлоподобного соединения определяют химические (содержание основного металла, примесей и загрязнений, воспламеняемость и токсичность и др.), физические (форму, размер, удельную поверхность, плотность и микротвердость частиц и др.) и технологические (насыпную плотность, текучесть, прессуемость и спекаемость порошка) свойства получаемого металлического порошка. Очень часто некоторые свойства порошка одного и того же металла, определяющие применимость его для той или иной цели, существенно изменяются в зависимости от метода производства.

Химические свойства. Оценивая пригодность порошка для изготовления из него материалов и изделий, прежде всего интересуются содержанием в нем основного металла, примесей, различных механических загрязнений и газов.

Содержание основного металла в порошке или сумма основных компо-нентов сплава составляет обычно ?98-99 %. В некоторых случаях при производстве изделий с особыми свойствами применяют наиболее чистые металлические порошки.

Примеси в порошках. За исключением газофазных методов, электролиза и некоторых видов распыления жидких металлов и сплавов, режимы изготовления порошков мало способствуют рафинированию и содержание примесей в них значительно. Развитая поверхность порошков способствует адсорбции газов. Примеси могут находиться в растворенном виде (растворы внедрения и замещения в основном компоненте), в виде отдельных фаз (например, оксидов кремния; алюминия в порошках железа), а также в виде адсорбированных и окклюзированных (захваченных) газов (водорода, кислорода), паров воды, моно- и диоксида углерода. Происхождение примесей связано как с чистотой исходного сырья, так и с условиями получения и хранения порошков. С повышением дисперсности порошков содержание примесей, как правило, растет.

Воспламеняемость. Энергичное окисление порошковых материалов может сопровождаться не только изменением состава, но и горением, т.е. представлять собой быстро протекающую химическую реакцию с выделением тепла и света. Порошки А1, Мg, Тi, Fе, Та, Nb, U и другие могут энергично окисляться, горение может протекать также в азоте (Ti, Zr, Hf), хлоре и т.д. Такие порошки могут стать источником пожаров и взрывов. Воспламе-няемость (пирофорность), взрывоопасноcть порошков зависят от природы вещества, дисперсности и формы частиц, концентрации пылегазовых смесей, окисленности и многих других факторов.

Токсичность. Аэрозоли металлов оказывают токсическое действие на организм человека. Аспирация и обеспыливание воздуха при производстве порошков -- необходимые элементы обеспечения безопасных для здоровья условий работы. Кроме того, снижение концентрации пыли металлов и тугоплавких соединений в воздушной среде производственных и исследо-вательских помещений понижает пожаро- и взрывоопасность.

Физические свойства.

Размер порошков. Этот параметр является одним из важнейших характеристик порошков, т.к. именно он во многом определяет поведение порошков при прессовании и спекании, пористости, размере зерна, а следовательно, и свойств спеченных материалов.

Для железных порошков дисперсность обычно характеризуется четырьмя классами: крупным (больше 450 мкм), средним (160-450 мкм), мелким (меньше 160 мкм) и весьма мелким (меньше 56 мкм). В производстве тугоплавких металлов и твердых сплавов к грубозернистым порошкам относят порошки с размером частиц больше 10 мкм.

Монодисперсные порошки встречаются крайне редко. Практически всегда порошки представляют собой полидисперсные смеси, характе-ризующиеся гранулометрическим составом (распределение частиц по разме-рам). Определение гранулометрического состава (гранулометрический или дисперсионный анализ) может быть выполнен несколькими методами:

• 1. ситовым анализом для определения частиц размером до 40 мкм;
• 2. седиментационным анализом (для определения частиц размером от ~ 50 мкм до ~ 1 мкм);
• 3. кондуктометрическим анализом (250-0,5 мкм);
• 4. микроскопическим анализом (100-1 мкм -- оптической микроскопией, 1-0,001 мкм -- электронной микроскопией).

Морфология порошков. Качественное многообразие морфологических типов порошковых частиц может быть условно сведено к следующим основным разновидностям, зависящим от метода и условий изготовления:

• - сферические или округлые (распыление и оплавление, грануляция, осаждение из газовой фазы, сушка распылением, коллоидные методы формообразования);
• - губчатые (восстановление, синтез, разложение);
• - дендритные (электролиз);
• - осколочные (измельчение хрупких материалов);
• - чешуйчатые или тарельчатые (измельчение пластичных материалов);
• - волокнистые или лепестковые (осаждение из газовой фазы);
• - правильноограненные (осаждение из газовой фазы, кристаллизация из растворов).

Форма и размеры порошковых частиц определяются методами и режимами получения. Их можно варьировать в широких пределах. Эти характеристики оказывают решающее влияние на ход технологических процессов и в определенной степени наследуются в структуре порошковых материалов.

Удельная поверхность порошка представляет собой сумму наружных поверхностей всех частиц, составляющих единицу его массы или объема. Удельная поверхность порошка зависит от размера и формы частиц, а также степени развитости их поверхности, возрастая с уменьшением поверхности, усложнением формы и увеличением шероховатости поверхности частиц. Это важная характеристика порошка, во многом определяющая его поведение при последующих операциях формования и спекания.

Наиболее часто для определения удельной поверхности порошка используют методы измерения его газопроницаемости и адсорбции.