Порошковая металлургия: технология и преимущества

Классическое производство металлических изделий – это многоэтапный процесс, который требует дорогостоящего оборудования, больших площадей и серьезную квалификацию рабочих. А порошковая металлургия уменьшает число технологических операций, минимизирует затраты и снижает трудоемкость производства. Принцип работы с металлическим порошком можно сравнить с детской песочницей, где ребенок создает куличи различной формы из песка. 

Идея соединять между собой порошкообразные элементы в твердое монолитное изделие будоражила умы изобретателей еще со времен древнего Египта. Доказано, что были случаи изготовления украшений из порошкообразного золота. Основной проблемой было получение порошка с нужными параметрами, чистого и пригодного для дальнейшей формовки. Рассмотрим, что из себя представляет современная порошковая металлургия, ее технологии и преимущества. 

Что такое порошковая металлургия и ее положительные стороны

Порошковая металлургия – это технологии производства металлических порошков и изготовления из них изделий. 

В пресс-форму засыпают чистый порошок или смесь. Содержимое опрессовывают и сформированную заготовку запекают. В некоторых случаях требуется дополнительная калибровка, где параметры деталей доводят до нужных размеров.

Преимущества порошковой металлургии в сравнении с классическими металлургическим производством:

• Резко снижается трудоемкость и энергоемкость производства. 
• Конечное изделие имеет уникальные свойства, которые недостижимы при классических технологиях – литье, ковке и механической обработке. 
• Увеличивается возможность получения композитных материалов из несовместимых компонентов. Например, карбид вольфрама склеивают с порошком кобальта и в результате получают сверхпрочные режущие инструменты. Или алмазную крошку соединяют с медным порошком для изготовления алмазных дисков и коронок. 
• Производство не имеет отходов из-за полного отсутствия стружки.
• Возможность быстрой смены выпускаемого ассортимента. 
• Порошковые технологии применимы в металлической 3D печати и PIM-литье.  

Особенности производства материалов для порошковой металлургии 

Для производства деталей используют металлические и неметаллические порошки. То есть маслонаполненная втулка может быть сделана из чистого железного порошка, а подшипник скольжения – из смеси меди и графита. 

Порошок можно получить физическими способами и путем химического восстановления.

Физические способы:

• Механическое дробление с последующим отделением фракций. Материал дробят твердосплавными шарами в барабанах. Полученное сырье при необходимости разделяют на разные фракции и отправляют на производство. Чаще всего такой способ применяют для разработки неметаллических порошков, участвующих в производстве композитных материалов. Формы и виды мельниц разнообразны и применяются в зависимости от используемого вещества. 
• Высокотемпературное распыление. Расплавленный металл пропускают через сопло. В точке выхода подают инертный газ, который за счет температурного расширения разделяет струю потока металла на множество мелких капель. Микрочастицы успевают остыть до касания стенок. Вместо газа иногда используют воду, которая при закипании создает похожий эффект. 
• Центробежный способ. Через вращающийся шпиндель внутрь камеры, наполненной инертным газом, подают пруток из нужного металла. На конец прута на постоянной основе воздействуют электрической плазмой. Разогретые капли под действием центробежной силы разлетаются в стороны. Такую технологию часто используют с алюминиевыми прутками, так как инертная среда камеры не позволяет появиться толстому слою оксида алюминия. 

Существуют еще несколько методов, каждый из которого подходит под определенные виды металлов.

Химические способы:

• Высокотемпературное восстановление. Таким методом получают порошки из титана, ванадия, ниобия, тантала, кальция и урана. Сверхмелкодисперсные порошки делают восстановлением оксалатов и формиатов железа, никеля, урана и бериллия. 
• Метод получения порошка через губчатое железо. Магнититовую руду (FeO4) предварительно очищают от примесей, смешивают с коксом и известью, нагревают в печи. Железо восстанавливается и приобретает губчатую структуру. После этого полученный материал направляют на механическую мельницу, где измельчают его до мелкодисперсного состояния. Полученный порошок имеет естественные поры и из-за неправильной ломаной формы, он хорошо прессуется при малом давлении. Получают заготовки, имеющие множество микропустот. 
• Метод электролитического осаждения. Порошкообразную медь или серебро получают, пропуская электрический ток через растворы, например, медного купороса. Таким способом создаются электролитические порошки вольфрама, ниобия, урана, титана, железа, меди, тантала, цинка, никеля с очень мелкой структурой.
• Карбонильный способ. Карбиды таких металлов, как вольфрам и молибден, нагревают до 500-550 градусов в специальных реакторах. В результате получают углекислый газ и чистый металлический порошок, частицы которого имеют сферическую форму. Исходное сырье для изготовления порошка – лом, окалина и другие отходы металлургического производства. 

Процесс формования готовых изделий из порошка

Изготовление деталей из порошкообразного материала состоит из 3 главных этапов: подготовка смеси, прессование и спекание. В зависимости от требуемого результата и вида материала технологии серьезно различаются. Рассмотрим более подробно все процессы и их разновидности.

Подготовка смеси

Порошок, поступающий на производство, почти всегда требует доработки. Например, железный порошок подвергается предварительному отжигу в печи с целью восстановления оксидов и удаления нежелательных примесей. Процесс заключается в нагреве состава до 0,5 температуры плавления и введении водорода смешанного с другими газами. На выходе получают порошок с восстановленным железом. 

Следующий этап – это калибровка, или классификация. Существуют методы, позволяющие разбить весь объем на фракции. Это необходимо для повышения однородности будущего изделия. Основными способами классификации является разделение порошка просеиванием через калиброванные сита, воздушное и жидкостное гравитационное или центробежное сепарирование. Разделение с помощью сит грубо напоминает стандартное просеивание муки. А воздушная калибровка заключается в том, что поток газа переносит более легкие частицы дальше, а тяжелые оседают быстрее. В результате происходит плавное разделение по размерам зерна. Жидкостная сепарация похожа по принципу действия, но чаще применяется для тяжелых металлов. Параллельно в этих установках могут быть уловители намагниченных частиц.

Если состав смеси для детали будет однокомпонентным, то сепарированный порошок отправляют на прессовку. Во многих случаях требуется смешать разные компоненты в нужных пропорциях. Несмотря на кажущуюся простоту процесса, это очень ответственная операция. Так как только равномерное распределение компонентов по всему объему может гарантировать однородные характеристики готового изделия. Приготовление смеси происходит в смесителях с инертной средой. Они могут быть барабанные, шнековые, лопастные и т.д. В некоторых случаях применяют смешивание в жидкостной среде. 

Перед заполнением форм смесь часто обрабатывают специальными составами, которые позволяют поддержать равномерность структуры, улучшить смачиваемость или предотвращать появление локальных агломераций. Такими составами могут быть: поверхностно-активные вещества, загустители, растворители, дисперсанты, смазки и связующие добавки.  

Прессование

Операция требуется для первичного придания формы детали. Вначале дозатором отмеряют необходимое количество. Смесь перемещают в пресс-форму, которая имеет три основных элемента: матрицу, верхний и нижний пуансон. Для первичного уплотнения часто используют вибрацию, так как частицы за счет шероховатостей оставляют большие полости. После этого на смесь воздействуют давлением. 
В зависимости от необходимой структуры изделия на порошок производят деформирующие усилия, происходит частичное слипание компонентов. 

Процесс имеет некоторые нюансы:

• Давление прикладывается в вертикальном направлении, поэтому внутреннее напряжение в смеси распространяется неравномерно. Эту проблему решают введением пластификаторов, которые улучшают скольжение между зернами порошка. На более сложном оборудовании производят обжим по несколькими направлениям.  
• Структура спрессованного материала может значительно отличаться в середине изделия, в плоскостях касания с матрицей и в зонах, на которые воздействуют пуансоны. Недостаток нивелируется подбором порошков с нужными формами частиц и пластификаторами.  
• Иногда применяют двухэтапное прессование с предварительным уплотнением состава на всю глубину.

Режимы пресса настраивают под требуемый результат, так как иногда необходимо создать максимально плотную или пористую структуру. 

По некоторым технологиям достаточно спрессовать исходную смесь без спекания. Частицы соединяются за счет диффузии. Для достижения высоких давлений применяют взрывное, электрогидравлическое (эффект увеличения объема при пропускании электрического разряда) формование. Экструзию применяют для изготовления длинномерных заготовок, например, алюминиевых труб.

Спекание

Операция необходима для укрепления внутренних связей между частицами. 

Можно выделить два типа спекания:

1. Когда применяется температура, достаточная для размягчения легкоплавкого компонента. Этот элемент равномерно распределяется между тугоплавкими частицами, «склеивая» весь объем в единое целое. 
2. Когда все компоненты смеси становятся пластичными. Происходит частичная деформация всех зерен и взаимное диффузионное проникновение между ними. Здесь применяются режимы от 0,75 температуры плавления. 

После температурной обработки деталь чаще всего уменьшается в размере. Этот фактор также необходимо учитывать. Если плотность исходной заготовки была неравномерной, то и усадка будет отличаться на разных участках. 

Нагрев приводит к появлению оксидной пленки, поэтому при спекании используют контролируемую газовую среду.

На выбор режимов спекания влияют физические и химические характеристики порошка и требования по конечной структуре изделия. Поэтому температурный режим и время воздействия выбирают индивидуально под каждый технологический процесс. 

В большинстве случаев после спекания изделие готово к использованию. Но иногда требуется дальнейшая доработка механическим способом или обработка химическими реагентами. 

Сфера применения порошков разных металлов постоянно расширяется, так как технологии позволяют значительно сократить трудозатратность и энергоемкость процессов изготовления сложных деталей. Такими методами можно добиться уникальных свойств материала. Новым течением в порошковой металлургии стала объемная печать. Это позволяет быстро менять ассортимент выпускаемой продукции с разнообразной формой и делает мелкосерийное производство рентабельным.