1.Общая характеристика порошковой металлургии и свойства порошков.
История развития ПМ в России. Основным стимулом зарождения и развития ПМ до сих пор являлась потребность в новых материалах, невозможность их получения и обработки с помощью традиционных методов. Основы современной ПМ были заложены П. Г. Соболевским в 1826-1827гг.в связи с необходимостью переработки порошка платины и отсутствием возможности его переплавки. В НГТУ на базе работ, проводимых с середины 60-х гг. была начата разработка нового направления в порошковой металлургии-горячей обработки давлением пористых порошковых заготовок, существенно расширившей возможности этой прогрессивной области науки и техники. Созданный в университете научный задел и материально-техническая база, наличие высококвалифицированных кадров, высокая эффективность выполненных работ и широкие перспективы дальнейшего развития послужили открытием в 1972г. в его составе проблемной научно-исследовательской лаборатории динамического горячего прессования, долгие годы являвшейся в стране ведущей координирующей организацией в области динамического горячего прессования. Учитывая интенсивное развитие порошковой металлургии в Ростовской области и на Северном Кавказе, при кафедре материаловедения и технологии материалов была открыта специальность '' Композиционные и порошковые материалы, покрытия''. Кафедра явилась базовой при организации в НГТУ диссертационного совета.
Основные области применения ПМ. Порошковые материалы используются практически в любой области техники, и объем их применения непрерывно расширяется. Это связано как с возрастающей ролью, которую выполняют материалы вообще, так и со специфическими особенностями, присущими только порошковым материалам. Так, развитие электронной техники было бы невозможно без развития производства полупроводников, то же можно сказать в отношении космической техники, ядерной энергетики.
Спеченные антифрикционные материалы позволили повысить надежность и долговечность узлов трения, снизить потери на трение, заменить дорогостоящие подшипники качения, на подшипники скольжения или баббиты и брынзы на железографитовые псевдосплавы. Разработка материалов твердыми смазками сделала возможным их применение в устройствах, где использование жидких смазок вообще не допустимо, например в пищевой промышленности, при высоких температурах.
Пористые порошковые материалы широко используются в узлах трения, фильтрах, тепловых трубах, уплотнениях.
Фрикционные порошковыематериалы являются, по существу, композиционными и состоят из металлических и неметаллических компонентов. Они имеют наиболее высокие фрикционные свойства и широко применяются.
Электротехнические материалы – контакты, магнитомягкие и магнитотвердые материалы, инструменты для электроэрозионной обработки, точечной и роликовой сварки – находят все более широкое применение в электротехнике, энерго – и аппаратостроении, автоматике и телемеханике, радиоэлектронике и других отраслях.
Порошковые конструкционные материалы являются наиболее распространенной продукцией ПМ. Потребность в них составляет около 60% суммарной потребности в продукции ПМ.
Жаропрочные, жаростойкие и композиционные материалы определяют развитие отраслей современной техники, где без обеспечения специальных свойств невозможна эксплуатация машин и агрегатов: авиационной, ракетной техники, космонавтики, химического машиностроения. Для их нужд были созданы тугоплавкие металлы и сплавы, тугоплавкие соединения, получаемые в большинстве случаев только методами ПМ.
Тугоплавкие и твердые бескислородные соединения и материалы на их основе-карбиды, бориды, нитриды, силициды и другие - находят применение благодаря своим уникальным свойствам во многих отраслях промышленности, например инструментальной.
Твердые сплавы - важнейшие широко распространенные порошковые материалы, при получении которых в полной мере реализуются возможности ПМ : получение композиционных материалов из компонентов с резко различной температурой плавления, достижение уникального комплекса физико – механических свойств, безотходная технология. Применяются твердые сплавы в инструментальной промышленности, буровой технике, при обработке давлением.
Материалы для современной атомной энергетике должны выдерживать экстримальные механические и термические нагрузки с одновременным воздействием физических факторов, они используются в качестве поглощающих и замедляющих элементов, а так же топлива. Определенную их часть составляют порошковые материалы.
Эрозионностойкие материалы должны сочетать разнообразные и необычные свойства изделий и обеспечивать их работоспособность в очень тяжелых условиях эксплуатации. Примером могут служить турбины, где наиболее напряженной деталью является сопловой вкладыш, рабочая температура на поверхности составляет 3500-3600°С.
. С увеличением связности частиц увеличиваются затраты на формирование изделий, но уменьшается вероятность взаимодействий материала с внешней средой и затраты на его защиту. Порошок, являющийся исходным материалом для ПМ, в этом отношении занимает промежуточное положение между жидкостью твердым телом , обладая савокупностью частиц текучестью, а в объеме каждой частицы – деформируемостью.
Металлическим порошком - называется совокупность частиц металла, сплава или металлоподобного соединения размерами до миллиметра, находящихся в контакте и не связанных между собой. Лигатурами - называются вспомогательные сплавы, применяемые для жидкотекучести . Частица представляет собой индивидуальное тело с небольшими размерами во всех трех измерениях. В большинстве случаев размеры частиц, используемых в ПМ, составляют 10-100 мкм. В связи с этим они имеют развитую поверхность, во многом определяющую их поведении при дальнейшей обработки и отличающую ее от обычных материалов даже идентичного состава. Второй главной особенностью частицы является значительно большее содержание (относительное) в ней объемных дефектов – пор и включений.
Физика и химия поверхности порошков. Поверхность твердого тела является зоной, где межатомные связи не скомпенсированы. Сорбция – поглощение вещества из окружающей среды твердыми или жидкими телами. Поглотитель называют сорбентом, поглощаемое вещество – сорбатом.Абсорбция –поглощение сорбата всем объемом сорбента. Адсорбцыя – поглощение сорбата поверхностью сорбента. Хемосорбцыя – поглощение сорбентас образованием химических соединений, сопровождающееся тепловым эффектом. Состояние поверхности раздела между фазами А и В или даже между частицами одной фазы можно охарактеризовать поверхностным натяжением. ПАВ – это вещества, способные адсорбироваться на поверхностяхраздела фази понижать величины.
Поверхностное натяжение характеризует работу перехода атомов из внутренней части материала на поверхность при образовании единицы новой поверхности.
Поверхностная энергия-избыток энергии поверхностного слоя на границе двух соприкасающихся фаз, определяемый различным характером межчастичного взаимодействия в обеих фазах. При высокой температуре и повышенной диффузионной подвижности атомов площадь поверхности может сохраниться, но если ее геометрическая форма была неправильна или нарушена, то она изменяется. Увеличение поверхности раздела при измельчении частиц связано с энергетическими затратами, а ее уменьшение энергетически целесообразно и может являться стимулом для протекания определенных процессов, например при спекании или при температурном нагреве.
Микроструктура поверхности. Идеализированные поверхности можно разделить на три типа: сингулярные, вицинальные и диффузионные. Сингулярные поверхности раздела фаз отличаются от диффузионных количеством атомных молекулярных слоев, параллельных поверхности кристалла, в которых осуществляется переход от кристалла к пару. Реальные поверхности содержат так называемые поверхностные дефекты, то есть такие нарушения в идеальном расположении атомов, которые имеют большую протяженность в двух направлениях и незначительную - в третьем.
Объемные дефекты частиц порошков. Наряду с точечными линейными и поверхностными, присуще структуре литых металлов. Они имеют размеры одного порядка в трех измерениях и несколько порядков превышают размеры точечных дефектов. К этому виду дефектов литых металлов относятся субмикропоры, являющиеся результатом изотропного роста скоплений вакансий, субмикропузыри, сегрегации и так далее. С уменьшением размеров тел (частиц) влияние этих факторов возрастает, одновременно увеличивается интенсивность взаимодействия с окружающей средой, приводящая к повышению газонасыщенности и окисленности металла. Все это вызывает увеличение количества объемных дефектов в порошковых частицах по сравнению с литыми и обработанными давлением металлами. Неметаллические включения- это преимущественно оксиды основного (железа) и примесных элементов.Поры в исходных частицах могут быть только внутренние, они мелкие, возникают при получении порошка за счет усадки, газообразования, механического воздействия(трещины) и др.
Химические свойства порошков. К химическим свойствам металлических порошков относятся их химический состав, газонасыщенность, пирофорность, токсичность, взрывоопасность. Химический состав оценивают содержанием основных компонентов, примесей или загрязнений и газов. Зависит он от состава исходных материалов и метода получения порошков. Предельное содержание примесей в порошках определяется их допустимым количеством в готовой продукции. Химический анализ по методикам, принятым для общего анализа металлов. Исключением является лишь определение содержания кислорода. Газонасыщенность- характерная особенность порошков. Содержатся газы на поверхности частиц (адсорбированные) и внутри их, попадая в процессе изготовления и при разложении добавок.Ухудшаются условия прессования (хрупкость) и спекания (коробления).