Порошковая металлургия

Порошковая металлургия ( ПМ ) – это термин, охватывающий широкий спектр способов изготовления материалов или компонентов из металлических порошков . Процессы PM иногда используются для уменьшения или устранения необходимости субтрактивных процессов в производстве, снижения материальных потерь и снижения стоимости конечного продукта. ^{[ 1 ]} Особенно часто это происходит с мелкими металлическими деталями, например шестернями небольших машин. ^{[ 1 ]} Таким способом производятся некоторые пористые изделия, позволяющие проникать жидкости или газу. ^{[ 1 ]} Их также используют, когда плавление материала нецелесообразно из-за его высокой температуры плавления или сплава двух взаимно нерастворимых материалов, например смеси меди и графита. ^{[ 1 ]}

Таким образом, порошковая металлургия может быть использована для создания уникальных материалов, которые невозможно получить плавлением или формованием другими способами. ^{[ 1 ]} Очень важным продуктом этого типа является карбид вольфрама . ^{[ 1 ]} Карбид вольфрама используется для резки и формовки других металлов и изготавливается из частиц карбида вольфрама, связанных кобальтом. ^{[ 2 ]} Карбид вольфрама является крупнейшим и наиболее важным применением вольфрама . ^{[ 3 ]} потребляя около 50% мировых поставок. ^{[ 4 ]} Другая продукция включает в себя спеченные фильтры, пористые пропитанные маслом подшипники, электрические контакты и алмазные инструменты.

Методы порошковой металлургии обычно заключаются в сжатии порошка и его нагревании (спекании) при температуре ниже точки плавления металла для связывания частиц вместе. ^{[ 1 ]} Порошок для этих процессов можно получить разными способами, включая восстановление соединений металлов, ^{[ 1 ]} электролиз металлосодержащих растворов, ^{[ 1 ]} и механическое дробление, ^{[ 1 ]} а также более сложные методы, в том числе различные способы дробления жидкого металла на капли и конденсации паров металла. Уплотнение обычно осуществляется с помощью штампового пресса, но также может быть выполнено с помощью взрывных ударов или помещения гибкого контейнера в газ или жидкость под высоким давлением. Спекание обычно проводится в специальной печи, но его также можно проводить одновременно со сжатием (горячее изостатическое сжатие) или с использованием электрического тока.

С появлением промышленного аддитивного в 2010-х годах производства на основе металлических порошков селективное лазерное спекание и другие процессы аддитивного производства металлов стали новой категорией коммерчески важных применений порошковой металлургии.

Обзор

Процесс «прессования и спекания» в порошковой металлургии обычно состоит из трех основных этапов: смешивание порошков (или измельчение), уплотнение в матрице и спекание . Уплотнение порошка в матрице обычно проводят при комнатной температуре. Спекание — это процесс соединения материала при нагревании без его разжижения. Обычно его проводят при атмосферном давлении и тщательно контролируемом составе атмосферы. Для получения особых свойств или повышенной точности часто следует вторичная обработка, такая как чеканка или термообработка . ^{[ 5 ]}

Одним из старых таких методов является процесс смешивания мелких (<180 микрон) металлических порошков с добавками, прессования их в штамп желаемой формы, а затем спекания сжатого материала вместе в контролируемой атмосфере. Металлический порошок обычно представляет собой железо, а добавки включают смазочный воск, углерод , медь и/или никель . Это позволяет производить точные детали, обычно очень близкие по размерам к штампу, но с пористостью 5–15% и, следовательно, со свойствами стали, подвергшейся предварительной обработке. Этот метод до сих пор используется для производства около 1 млн т/год структурных компонентов сплавов на основе железа. ^{[ нужна ссылка ]}

Есть несколько других процессов управления проектами, которые были разработаны за последние пятьдесят лет. К ним относятся:

Порошковая ковка: «Преформа», изготовленная традиционным методом «прессования и спекания», нагревается, а затем подвергается горячей ковке до полной плотности, в результате чего ее свойства практически не отличаются от обработанных. ^{[ нужна ссылка ]}
Горячее изостатическое прессование (HIP): здесь порошок, обычно распыленный газом и сферический, засыпается в форму , обычно металлическую «банку». Банку вибрируют, затем вакуумируют и герметизируют. Для спекания порошка его помещают в горячий «изостатический пресс» на несколько часов, где он нагревается примерно до температуры плавления, примерно в 0,7 раза превышающей температуру плавления, и подвергается внешнему давлению газа ~ 100 МПа. ^{[ 6 ]} В результате получается фасонная деталь полной плотности со свойствами, полученными при изготовлении, или лучшими. HIP был изобретен в 1950-60-х годах и запущен в тоннажное производство в 1970-80-х годах. ^{[ нужна ссылка ]} В 2015 году на нем было произведено около 25 000 тонн нержавеющих и инструментальных сталей в год, а также важных деталей из суперсплавов для реактивных двигателей. ^{[ нужна ссылка ]}
Литье металла под давлением (MIM): здесь порошок, обычно очень мелкий (<25 микрон) и сферический, смешивается с пластиком или восковым связующим почти до максимальной загрузки твердого вещества, обычно около 65% объема, и отливается в форму для формирования «зеленая» (со связующим) часть сложной геометрии. Затем эту деталь нагревают или обрабатывают другим способом для удаления связующего, чтобы получить «коричневую» деталь (без связующего). Затем эту деталь спекают и дают усадку примерно на 18 %, в результате чего получается сложная готовая деталь с плотностью 95–99 % (шероховатость поверхности ~ 3 микрона). ^{[ 7 ]} Изобретенный в 1970-х годах объем производства увеличился с 2000 года, и в 2014 году его мировой объем, по оценкам, составил 12 000 тонн на сумму 1 265 миллионов евро. ^{[ 8 ]}
В технологиях спекания электрическим током (ECAS) для спекания порошков используются электрические токи. Это значительно сокращает время производства (это может занять от 15 минут до нескольких микросекунд), не требует длительного нагрева в печи и обеспечивает плотность, близкую к теоретической, но также имеет недостаток простой формы. ^{[ 9 ]} Порошки, используемые в ECAS, не требуют связующих, поскольку их можно спекать напрямую, без необходимости предварительного прессования и уплотнения связующими. ^{[ нужна ссылка ]} Формы предназначены для окончательной формы детали, поскольку порошки спекаются при заполнении полости под приложенным давлением. ^{[ нужна ссылка ]} Это позволяет избежать проблемы изменения формы, вызванной неизотропным спеканием, а также искажений, вызванных силой тяжести при высоких температурах. ^{[ нужна ссылка ]} Наиболее распространенной из этих технологий является горячее прессование , которое используется для изготовления алмазных инструментов для строительной отрасли. По состоянию на 2018 год прямое промышленное применение получили только горячее прессование и, в более ограниченном виде, искрово-плазменное спекание. ^{[ 10 ]}
Аддитивное производство (АП) — это относительно новое семейство технологий, в которых металлические порошки (помимо других материалов, таких как пластмассы) используются для изготовления деталей путем лазерного спекания или плавления. ^{[ нужна ссылка ]} По состоянию на 2015 год этот процесс быстро развивался. ^[update], ^{[ 11 ]} и по состоянию на 2018 год использовался преимущественно для исследований, прототипирования или передовых приложений в аэрокосмической промышленности, а также в биомедицинской, оборонной и автомобильной промышленности. ^{[ 11 ]} Его использовали в аэрокосмической промышленности, поскольку традиционные процессы являются более трудоемкими, сложными и дорогостоящими. ^{[ 11 ]} Процессы включают 3D-печать , селективное лазерное спекание (SLS), селективное лазерное плавление (SLM) и электронно-лучевое плавление (EBM). ^{[ нужна ссылка ]}

История и возможности

История порошковой металлургии и искусства металлов и керамики спекания тесно связаны друг с другом. Спекание предполагает производство твердого твердого металла или керамической детали из исходного порошка. Древние инки изготавливали украшения и другие артефакты из порошков драгоценных металлов, хотя массовое производство изделий из ПМ началось только в середине или конце 19 века. На этих ранних производственных операциях железо извлекалось вручную из металлической губки после восстановления, а затем повторно вводилось в виде порошка для окончательного плавления или спекания. ^{[ 12 ]}

При порошковых процессах можно получить гораздо более широкий ассортимент продукции, чем при прямом легировании плавленых материалов. При плавлении « правило фаз » применяется ко всем чистым и связанным элементам и строго диктует распределение жидких и твердых фаз , которые могут существовать для определенных составов. Кроме того, для легирования требуется плавление всего тела исходных материалов, что накладывает нежелательные химические, термические и сдерживающие ограничения на производство. К сожалению, обращение с порошками алюминия и железа создает серьезные проблемы. ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]} Другие вещества, особенно реагирующие с кислородом воздуха, например олово , спекаются в специальной атмосфере или с временными покрытиями. ^{[ 12 ]}^{[ 14 ]}

В порошковой металлургии или керамике можно изготавливать компоненты, которые в противном случае разложились бы или распались. Все аспекты фазовых переходов твердого тела и жидкости можно игнорировать, поэтому порошковые процессы более гибкие, чем литья , экструзии или ковки . методы ^{[ 12 ]} К управляемым характеристикам изделий, приготовленных с использованием различных порошковых технологий, относятся механические, магнитные, ^{[ 12 ]}^{[ 15 ]} и другие нетрадиционные свойства таких материалов, как пористые тела, агрегаты и интерметаллические соединения. ^{[ 12 ]} Конкурентные характеристики производственного процесса (например, износ инструментов, сложность или выбор поставщиков) также могут тщательно контролироваться. ^{[ 12 ]}

Специальные продукты

С помощью технологии порошковой металлургии можно получить множество специальных продуктов. Неисчерпывающий список включает вискеры Al ₂ O _3, покрытые очень тонкими слоями оксида для улучшения преломления; железные прессовки с покрытием Al ₂ O ₃ для повышения сопротивления ползучести при высоких температурах; нити для лампочек, изготовленные по порошковой технологии; накладки для фрикционных тормозов; металлические стаканы для высокопрочных пленок и лент; тепловые экраны для входа космических аппаратов в атмосферу Земли; электрические контакты для работы с большими токами; магниты ; микроволновые ферриты ; фильтры для газов; и подшипники , в которые может проникнуть смазка . ^{[ 12 ]}

Чрезвычайно тонкие пленки и крошечные сферы обладают высокой прочностью. Одним из применений этого наблюдения является покрытие хрупких материалов в форме нитевидных кристаллов субмикрометровой пленкой из гораздо более мягкого металла (например, вольфрама, покрытого кобальтом ). Поверхностная деформация тонкого слоя подвергает более твердый металл сжатию, поэтому при спекании всего композита прочность на разрыв заметно увеличивается. При использовании этого метода прочность порядка 2,8 ГПа против 550 МПа наблюдалась соответственно для карбидов вольфрама с покрытием (25% кобальта) и без покрытия . ^{[ 12 ]}

Производство порошков

Любой легкоплавкий материал можно распылить. ^{[ 12 ]} Было разработано несколько технологий, которые позволяют получать большие скорости производства порошкообразных частиц, часто со значительным контролем над диапазоном размеров конечного количества зерен. ^{[ 12 ]} Порошки могут быть приготовлены путем дробления, измельчения, химических реакций или электролитического осаждения. ^{[ 12 ]} Наиболее часто используемые порошки представляют собой материалы на основе меди и железа. ^{[ 16 ]}

Путем высокотемпературного восстановления соответствующих нитридов и карбидов получены порошки элементов титана, ванадия, тория, ниобия, тантала, кальция и урана . Субмикрометровые порошки железа, никеля, урана и бериллия получают восстановлением оксалатов и формиатов металлов . Чрезвычайно мелкие частицы также были получены путем направления потока расплавленного металла через высокотемпературную плазменную струю или пламя , распыляя материал. Различные химические и горючие процессы порошкообразования частично применяются для предотвращения серьезного разрушения поверхности частиц под действием кислорода воздуха. ^{[ 12 ]}

Порошок можно получить распылением газа или воды. ^{[ 17 ]} центробежное распыление, ^{[ 12 ]} химически восстанавливающие твердые соединения, ^{[ 17 ]} электролитическое осаждение в соответствующих условиях, ^{[ 17 ]} простое измельчение и измельчение, ^{[ 17 ]} термическое разложение твердых гидридов или карбонилов, ^{[ 17 ]} осаждение из раствора, ^{[ 17 ]} а также конденсат испаренного металла. ^{[ 17 ]}

Распыление газа

Распыление осуществляется путем пропускания потока расплавленного металла через отверстие при умеренном давлении. ^{[ 12 ]} Газ вводится в поток металла непосредственно перед тем, как он покидает сопло, создавая турбулентность, поскольку увлеченный газ расширяется (из-за нагрева) и выходит в большой объем сбора за пределами отверстия. ^{[ 12 ]} Объем сбора заполнен газом, что способствует дальнейшей турбулентности струи расплавленного металла. ^{[ 12 ]} Потоки воздуха и порошка разделяются с помощью гравитационного или циклонного разделения . ^{[ 12 ]}

Доступны простые методы распыления, при которых жидкий металл проталкивается через отверстие с достаточно высокой скоростью, чтобы обеспечить турбулентный поток. Обычно используемым индексом производительности является число Рейнольдса . При малых Re струя жидкости колеблется, но при более высоких скоростях поток становится турбулентным и разбивается на капли. Энергия накачки применяется для образования капель с очень низкой эффективностью (порядка 1% ), а контроль за распределением образующихся металлических частиц по размерам довольно скудный. Другие методы, такие как вибрация сопла, асимметрия сопла, множественные падающие потоки или впрыск расплавленного металла в окружающий газ, доступны для повышения эффективности распыления, получения более мелких зерен и сужения распределения частиц по размерам. К сожалению, трудно выбрасывать металлы через отверстия диаметром менее нескольких миллиметров, что на практике ограничивает минимальный размер зерен порошка примерно до 10 мкм . В результате распыления также образуется широкий спектр размеров частиц, что требует последующей классификации путем просеивания и переплавления значительной части границ зерен. ^{[ 12 ]}

Центробежные методы

Центробежная дезинтеграция расплавленных частиц предлагает один из способов решения этих проблем. Имеется обширный опыт работы с железом, сталью и алюминием. Из металла, подлежащего измельчению, формируется стержень, который вводится в камеру через быстро вращающийся шпиндель. Напротив вершины шпинделя расположен электрод, от которого возникает дуга, нагревающая металлический стержень. Когда материал наконечника плавится, быстрое вращение стержня выбрасывает крошечные капли расплава, которые затвердевают, прежде чем удариться о стенки камеры. Циркулирующий газ выметает частицы из камеры. Подобные методы можно было бы использовать в космосе или на Луне. Стенку камеры можно было бы вращать, чтобы подавать новые порошки в удаленные сосуды для сбора, а электрод можно было бы заменить солнечным зеркалом, сфокусированным на конце стержня. ^{[ 12 ]}

Альтернативный подход, позволяющий получить очень узкое распределение размеров зерен, но с низкой производительностью, состоит в использовании быстро вращающейся чаши, нагретой до температуры, значительно превышающей точку плавления материала, подлежащего измельчению. Жидкий металл, подаваемый на поверхность бассейна вблизи центра со скоростью потока, отрегулированной так, чтобы тонкая металлическая пленка равномерно скользила вверх по стенкам и через край, разбивается на капли, каждая из которых примерно равна толщине пленки. ^{[ 12 ]}

Распыление воды

Другой метод производства порошка включает в себя тонкую струю жидкого металла, пересекаемую высокоскоростными потоками распыленной воды, которые разбивают струю на капли и охлаждают порошок до того, как он достигнет дна бункера. В последующих операциях порошок сушат. ^{[ 12 ]} Это называется распылением воды. ^{[ 17 ]} Распыление воды охлаждает и затвердевает частицы металла быстрее, чем распыление газа. ^{[ 17 ]} Поскольку скорость затвердевания обратно пропорциональна размеру частиц, более мелкие частицы можно получить с помощью распыления воды. ^{[ нужна ссылка ]} Чем мельче частицы, тем более однородной будет микроструктура. ^{[ нужна ссылка ]} Частицы, полученные таким способом, также будут иметь более неправильную форму. ^{[ 17 ]} и распределение частиц по размерам будет шире. ^{[ нужна ссылка ]} Кроме того, некоторое поверхностное загрязнение может произойти в результате образования оксидной пленки. ^{[ нужна ссылка ]} Порошок можно уменьшить с помощью какой-либо предварительной обработки, например отжига, используемого для изготовления керамических инструментов. ^{[ нужна ссылка ]}

Уплотнение порошка

Уплотнение порошка, один из наиболее важных этапов в процессах порошковой металлургии, представляет собой процесс уплотнения металлического порошка посредством применения высокого давления. ^{[ 18 ]} В большинстве случаев уплотнение порошка осуществляется с помощью механических прессов и жестких инструментов, но также можно использовать гидравлические и пневматические методы, а также методы, сочетающие уплотнение со спеканием, например, горячее изостатическое уплотнение. ^{[ 18 ]} Также используются традиционные процессы обработки металлов давлением, включая прокатку, ковку, экструзию и обжимку. ^{[ 18 ]}

Плотность уплотненного порошка увеличивается с увеличением приложенного давления. Типичные давления находятся в диапазоне от 80 до 1000 фунтов на квадратный дюйм (от 0,5 до 7 МПа), были получены давления от 1000 до 1 000 000 фунтов на квадратный дюйм. Давление 10 т/дюйм ² до 50 т/дюйм ² (от 150 до 700 МПа) обычно используются для уплотнения металлического порошка. Чтобы добиться одинаковой степени сжатия для компонента с более чем одним уровнем или высотой, необходимо работать с несколькими нижними пуансонами. Цилиндрическую заготовку изготавливают одноуровневой оснасткой. Более сложную форму можно изготовить обычным многоуровневым инструментом. ^{[ нужна ссылка ]}

Прессование штампом

Доминирующей технологией формования изделий из порошковых материалов как по тоннажу, так и по количеству изготавливаемых деталей является штамповка. На рынке доступны механические, сервоэлектрические и гидравлические прессы, при этом наибольшая производительность порошка обрабатывается гидравлическими прессами. Эта технология формования включает в себя приведенный ниже производственный цикл, который обеспечивает легко автоматизированный и высокопроизводительный процесс: ^{[ нужна ссылка ]}

Заполнение полости матрицы известным объемом порошкового сырья, подаваемого из загрузочного башмака.
Уплотнение порошка внутри матрицы с помощью пуансонов для формирования прессовки. Обычно давление уплотнения прикладывается посредством ударов с обоих концов набора инструментов, чтобы уменьшить уровень градиента плотности внутри прессовки.
Выброс прессовки из матрицы с помощью извлечения нижнего пуансона(ов) из матрицы.
Удаление брикета с верхней поверхности матрицы с помощью загрузочного башмака на этапе заполнения следующего цикла, системы автоматизации или робота.

Обычно инструменты удерживаются в вертикальном положении, при этом пробойник образует дно полости. ^{[ 19 ]} Вероятно, самым важным моментом является возможность снять деталь с матрицы после ее прессования, а также избегать острых углов в конструкции. Сохранение максимальной площади поверхности ниже 20 квадратных дюймов (0,013 м²). ²) и рекомендуется соотношение высоты к диаметру ниже 7:1. Наряду с наличием стенок толщиной более 0,08 дюйма (2,0 мм) и сохранением соотношения толщины соседних стенок ниже 2,5:1. ^{[ 19 ]}

Одним из основных преимуществ этого процесса является его способность создавать сложную геометрию. Детали с поднутрениями и резьбой требуют вторичной обработки. Типичные размеры деталей варьируются от 0,1 квадратных дюймов (0,65 см). ²) до 20 квадратных дюймов (130 см ²). по площади и от 0,1 до 4 дюймов (от 0,25 до 10,16 см) в длину. Однако возможно изготовление деталей площадью менее 0,1 квадратного дюйма (0,65 см). ²) и площадью более 25 квадратных дюймов (160 см). ²). по площади и от долей дюйма (2,54 см) до примерно 8 дюймов (20 см) в длину. ^{[ 19 ]} Небольшие механические прессы обычно могут прессовать около 100 штук в минуту. ^{[ 18 ]}

При уплотнении штампом существует четыре основных класса инструментов: уплотнение одинарного действия, используемое для тонких плоских компонентов; оппозитный механизм двойного действия с двумя движениями пуансона, позволяющий использовать более толстые детали; двойного действия с плавающей матрицей; и матрица вывода двойного действия. Классы двойного действия дают гораздо лучшее распределение плотности, чем одинарное действие. Инструменты должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать экстремальное давление, не деформируясь и не сгибаясь. Инструменты должны быть изготовлены из полированных и износостойких материалов. ^{[ 19 ]}

Шоковая консолидация

Ударная консолидация, или динамическая консолидация, представляет собой экспериментальный метод консолидации порошков с использованием ударных волн высокого давления. ^{[ 20 ]}^{[ 21 ]} Этот метод полезен для очень крупных продуктов, в том числе весом более 3000 тонн и площадью более 100 квадратных дюймов. ^{[ 18 ]} Обычно их получают путем удара по заготовке пластиной с взрывным ускорением. ^{[ нужна ссылка ]} Несмотря на долгое время исследований, этот метод все еще имеет некоторые проблемы с управляемостью и единообразием. ^{[ нужна ссылка ]}Однако он предлагает некоторые ценные потенциальные преимущества. Например, консолидация происходит настолько быстро, что метастабильные микроструктуры могут сохраняться. ^{[ 22 ]}

Холодное изостатическое уплотнение

Изостатическое уплотнение порошка является альтернативным методом уплотнения порошка. ^{[ 18 ]} При холодном изостатическом прессовании мелкие металлические частицы помещаются в гибкую форму, которую затем погружают в газ или жидкость под высоким давлением со всех сторон (изостатическое). ^{[ 18 ]} После спекания в результате этого производственного процесса образуется очень мало металлолома, и из него можно изготовить множество различных форм. Допуски, которых можно достичь в сочетании со спеканием, очень точны: от +/- 0,008 дюйма (0,2 мм) для осевых размеров до +/- 0,020 дюйма (0,5 мм) для радиальных размеров. Это наиболее эффективный тип прессования порошка (следующие подкатегории также взяты из этого справочника). ^{[ 19 ]} Эта операция обычно применима только при небольших объемах производства, и хотя стоимость пресс-формы намного ниже, чем стоимость пресс-форм, она, как правило, не подлежит повторному использованию, а время производства намного дольше. ^{[ 23 ]} Производительность обычно очень низкая, но можно эффективно уплотнять детали весом до 100 фунтов. ^{[ 18 ]} Поскольку давление прикладывается со всех сторон, для получения более высокой плотности порошка в конечном продукте требуется более низкое давление прессования. ^{[ 18 ]}

Давление прессования варьируется от 15 000 фунтов на квадратный дюйм (100 000 кПа ) до 40 000 фунтов на квадратный дюйм (280 000 кПа) для большинства металлов и примерно от 2 000 фунтов на квадратный дюйм (14 000 кПа) до 10 000 фунтов на квадратный дюйм (69 000 кПа) для неметаллов. ^{[ 19 ]} Плотность изостатически уплотненных деталей на 5–10 % выше, чем при других процессах порошковой металлургии. ^{[ 19 ]} Типичные размеры заготовок варьируются от 0,25 дюйма (6,35 мм) до 0,75 дюйма (19,05 мм) в толщину и от 0,5 дюйма (12,70 мм) до 10 дюймов (254 мм) в длину. Можно уплотнять заготовки толщиной от 0,0625 дюйма (1,59 мм) до 5 дюймов (127 мм) и длиной от 0,0625 дюйма (1,59 мм) до 40 дюймов (1016 мм). ^{[ 19 ]}

Преимуществами по сравнению со стандартным прессованием порошка являются возможность получения более тонких стенок и более крупных заготовок. Соотношение высоты и диаметра не имеет ограничений. Никаких особых ограничений не существует в отношении изменения толщины стенок, поднутрений , рельефов, резьбы и поперечных отверстий. Для изостатического уплотнения порошка смазочные материалы не требуются. Минимальная толщина стенок составляет 0,05 дюйма (1,27 мм), а вес изделия может составлять от 40 до 300 фунтов (от 18 до 136 кг). После прессования наблюдается усадка порошка от 25 до 45%. ^{[ 19 ]}

Изостатические инструменты доступны в трех вариантах: свободная форма (мокрый мешок), грубая форма (мокрый мешок) и фиксированная форма (сухой мешок). Свободная форма является традиционным способом изостатического уплотнения и обычно не используется для высокопроизводительных работ. При использовании инструментов для свободной формы форма снимается и заполняется снаружи канистры. Влажный мешок — это место, где в канистре находится форма, но заполненная снаружи. В инструментах с фиксированной формой форма находится внутри контейнера, что облегчает автоматизацию процесса. ^{[ 19 ]}

Спекание

После уплотнения порошкообразные материалы нагреваются в контролируемой атмосфере в процессе, известном как спекание. В ходе этого процесса поверхности частиц соединяются и достигаются желаемые свойства. ^{[ 6 ]}

Спекание порошковых металлов — это процесс, при котором частицы под давлением химически связываются друг с другом, образуя целостную форму под воздействием высокой температуры. Температура, при которой спекаются частицы, чаще всего ниже температуры плавления основного компонента порошка. ^{[ 24 ]} Если температура выше температуры плавления компонента в порошковой металлической детали, жидкость расплавленных частиц заполняет поры. Этот тип спекания известен как спекание в жидком состоянии. ^{[ 6 ]} Основная проблема спекания в целом заключается в знании влияния процесса на размеры компактных частиц. Это особенно сложно для инструментов, в которых могут потребоваться определенные размеры. Спеченная деталь чаще всего сжимается и становится плотнее, но она также может расширяться или не претерпевать никаких изменений. ^{[ 24 ]}

Основной движущей силой твердофазного спекания является избыток свободной поверхностной энергии. Процесс твердофазного спекания сложен и зависит от материала и условий печи (температуры и газа). Процессы спекания можно разделить на шесть основных стадий, которые могут перекрываться друг с другом: 1 начальное соединение между частицами, 2) рост шейки, 3) закрытие поровых каналов, 4) округление пор, 5) уплотнение или сжатие пор и 6 ) огрубление пор. Основными механизмами, присутствующими на этих стадиях, являются испарение , конденсация , межзеренные границы , объемная диффузия и пластическая деформация . ^{[ 24 ]}

В ходе этого процесса увеличивается ряд характеристик, включая прочность , пластичность , ударную вязкость , а также электро- и теплопроводность материала. Если различные элементарные порошки компактны и спечены, материал образует сплавы и интерметаллические фазы. ^{[ 6 ]} По мере уменьшения размеров пор плотность материала будет увеличиваться. Как указано выше, эта усадка представляет собой огромную проблему при изготовлении деталей или оснастки, требующих определенных размеров. Усадка тестируемых материалов контролируется и используется для управления условиями печи или для увеличения размера компактных материалов для достижения желаемых размеров. Однако спекание не разрушает компактную часть пористости . Как правило, после спекания детали из порошкового металла имеют пористость от пяти до двадцати пяти процентов. ^{[ 6 ]}

Общая печь для спекания

Большинство печей для спекания содержат три зоны с тремя различными свойствами, которые помогают выполнить шесть этапов, описанных выше. Первая зона, обычно называемая стадией выжигания или продувки, предназначена для сжигания воздуха, сжигания любых загрязнений, таких как смазка или связующие, и медленного повышения температуры компактных материалов. Если температура компактных деталей повышается слишком быстро, воздух в порах будет находиться под очень высоким внутренним давлением, что может привести к расширению или разрушению детали. Вторая зона, известная как высокотемпературная стадия, используется для осуществления диффузии в твердом состоянии и связывания частиц. Материал стремится снизить свою поверхностную энергию и делает это, перемещаясь к точкам контакта между частицами. Точки контакта становятся больше, и в конечном итоге образуется твердая масса с мелкими порами. Третья зона, также называемая периодом охлаждения, используется для охлаждения деталей, находящихся в контролируемой атмосфере. Это важная зона, поскольку она предотвращает окисление при непосредственном контакте с воздухом или явление, известное как быстрое охлаждение. Все три этапа должны проводиться в контролируемой атмосфере, не содержащей кислорода. Водород, азот, диссоциированный аммиак и крекированные углеводороды — обычные газы, закачиваемые в зоны печи, создающие восстановительную атмосферу, предотвращающую образование оксидов. ^{[ 6 ]}

Горячее изостатическое прессование

Микроструктура никелевого сплава после горячего изостатического прессования

Горячее изостатическое прессование (HIP) одновременно сжимает и спекает деталь. ^{[ 12 ]} путем применения тепла порядка 2300 °F (1250 °C) в случае железа или 2750 °F (1500 °C) в случае никелевых сплавов. ^{[ 18 ]} Этот метод вместе с методами взрывного сжатия широко используется при производстве высокотемпературных и высокопрочных деталей, таких как диски турбин для реактивных двигателей. ^{[ 12 ]} В большинстве случаев порошковой металлургии прессовка подвергается горячему прессованию и нагреванию до температуры, выше которой материалы не могут оставаться нагартованными. ^{[ 12 ]} Горячее прессование снижает давление, необходимое для уменьшения пористости, ускоряет процессы сварки и деформации зерна. ^{[ 12 ]} Это также позволяет лучше контролировать размеры продукта, снижает чувствительность к физическим характеристикам исходных материалов и позволяет сжимать порошок до более высоких плотностей, чем при холодном прессовании, что приводит к более высокой прочности. ^{[ 12 ]} Отрицательные аспекты горячего прессования включают более короткий срок службы матрицы, более низкую производительность из-за нагревания порошка и частую необходимость создания защитной атмосферы или простого вакуума на этапах формования и охлаждения. ^{[ 12 ]}^{[ 18 ]}

HIP производит продукцию часто более высокого качества, чем другие процессы. ^{[ 18 ]} Однако HIP является дорогостоящим и, как правило, непривлекательным для крупносерийного производства из-за высокой стоимости помещения порошка в гибкую изолирующую среду, способную выдерживать температуру и давление ( консервирование ), а затем его удаления из этой среды ( деканирование ). а также длительные периоды времени, которые могут составлять от 6 до 8 часов. ^{[ 18 ]}

Спекание электрическим током

В этих методах используются электрические токи для ускорения или улучшения спекания. ^{[ 25 ]} Комбинация механического давления и электрического тока, проходящего через порошок или контейнер, значительно сокращает время спекания по сравнению с традиционными решениями. ^{[ 25 ]} Существует множество классификаций этих методов, но их можно разделить на две основные категории: методы резистивного спекания, при которых применяются более низкие напряжения и токи и занимает от десяти секунд до десяти минут; и спекание электрическим разрядом, в котором используются батареи конденсаторов для достижения более высоких токов и напряжений, и которое занимает от десятков микросекунд до десятков миллисекунд. ^{[ 25 ]} Методы контактного спекания включают искровое плазменное спекание (SPS), плазменно-активируемое спекание (PAS) и спекание импульсным электрическим током (PECS). ^{[ 26 ]} Методы электроразрядного спекания включают спекание в конденсаторном разряде . ^{[ 26 ]} В настоящее время наиболее распространенным методом электроимпульсной консолидации в целом является искрово-плазменное спекание. ^{[ 26 ]}

Напряжения резистивного спекания обычно достигают около 1 кА на квадратный сантиметр, тогда как напряжения электроразрядного спекания требуют очень высоких напряжений, более 10 кА на квадратный сантиметр. ^{[ 26 ]} Методы контактного спекания представляют собой методы консолидации, основанные на температуре, при которых нагрев формы и порошков осуществляется электрическим током, обычно с характерным временем обработки от 15 до 30 минут. С другой стороны, методы спекания электроразрядом основаны на токах высокой плотности (от 0,1 до 1 кА/мм^2) для прямого спекания электропроводящих порошков с характерным временем от десятков микросекунд до сотен миллисекунд. ^{[ нужна ссылка ]}

Непрерывная обработка порошка

Строго говоря, фразу «непрерывный процесс» следует использовать только для описания способов производства, которые могут быть растянуты во времени на неопределенный срок. Однако обычно этот термин относится к процессам, продукты которых в одном физическом измерении намного длиннее, чем в двух других. Наиболее распространенными примерами являются сжатие, прокатка и экструзия. ^{[ 12 ]}

Сжатие

При простом процессе сжатия порошок вытекает из бункера в канал с двумя стенками и многократно сжимается в вертикальном направлении с помощью горизонтально неподвижного пуансона. После снятия компресса с конвейера уплотненную массу вводят в печь спекания. Еще более простой подход — распылить порошок на движущуюся ленту и спекать его без сжатия. Однако хорошие методы снятия материалов холодного прессования с движущихся лент найти трудно. Одной из альтернатив, которая позволяет полностью избежать трудности с зачисткой ленты, является изготовление металлических листов с использованием противоположных гидравлических плунжеров , хотя в ходе последовательных операций прессования могут возникать слабые линии поперек листа. ^{[ 12 ]}^{[ нужны дальнейшие объяснения ]}

Роллинг

Порошки также можно прокатывать для получения листов. Порошок металла подается в двухвалковый прокатный стан. ^{[ а ]} и уплотняется в полосу со скоростью до 100 футов в минуту (0,5 м/с). Затем полосу спекают и подвергают повторной прокатке и дальнейшему спеканию. Прокат обычно используется для производства листового металла для электрических и электронных компонентов, а также монет . Значительная работа также была проделана по одновременному раскатыванию нескольких слоев различных материалов в листы. ^{[ 12 ]}

Экструзия

Процессы экструзии делятся на два основных типа. В одном типе порошок смешивают со связующим веществом или пластификатором при комнатной температуре; в другом порошок экструдируется при повышенных температурах без обогащения. ^{[ нужны дальнейшие объяснения ]} Экструзия со связующими широко применяется при получении композитов карбида вольфрама. Трубы, сложные секции и спиральные сверла производятся увеличенной длины и диаметра в диапазоне 0,5–300 мм (0,020–11,811 дюйма). Твердосплавные проволоки диаметром 0,1 мм (0,0039 дюйма) были вытянуты из порошковой массы. С другой стороны, возможна крупномасштабная экструзия по тоннажу. ^{[ 12 ]}

Для более мягких и легко поддающихся формовке металлов, таких как алюминиевые и медные сплавы, непрерывную экструзию также можно выполнять с использованием таких процессов, как конформная или непрерывная ротационная экструзия. В этих процессах используется вращающееся колесо с канавкой по окружности, которое пропускает сыпучий порошок через формующую матрицу. Благодаря сочетанию высокого давления и сложной траектории деформации частицы порошка деформируются, генерируют большое количество тепла от трения и соединяются друг с другом, образуя объемное твердое вещество. Теоретически возможна полностью непрерывная работа при условии, что в процесс можно подавать порошок. ^{[ 27 ]}

Кажется, нет никаких ограничений на разнообразие металлов и сплавов, которые можно экструдировать, при условии, что соответствующие температуры и давления находятся в пределах возможностей материалов штампа. ^{[ 12 ]} Длина экструзии может варьироваться от 3 до 30 м. ^{[ 28 ]} и диаметром от 0,2 до 1 м. Современные прессы в основном автоматические и работают на высоких скоростях (порядка м/с). ^{[ 12 ]}

Опасности

Специальные материалы и процессы, используемые в порошковой металлургии, могут представлять опасность для жизни и имущества. Высокое соотношение площади поверхности к объему порошков может повысить их химическую реактивность при биологическом воздействии (например, при вдыхании или проглатывании) и увеличивает риск взрыва пыли . Материалы, считающиеся относительно безопасными в массе, могут представлять особый токсикологический риск в мелкодисперсной форме. Вдыхание тяжелых металлов может привести ко многим проблемам со здоровьем. Свинец и кадмий обычно токсичны, а кобальт может вызывать астму и фиброз у чувствительных людей. ^{[ 29 ]}

См. также

Примечания

^ «Два уровня» означает, что в движении участвуют два колеса. «Три-хай» предполагает три колеса, катящиеся в разных направлениях и поставленные друг на друга.

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж «Порошковая металлургия» . Энциклопедия Бриттаника . Проверено 4 июля 2024 г.
^ «Карбид вольфрама» . Британская энциклопедия . 03.06.2024 . Проверено 4 июля 2024 г.
^ «Статистика и информация о вольфраме» . Национальный информационный центр полезных ископаемых . Геологическая служба США. 2024 . Проверено 4 июля 2024 г.
^ Эрик Ласснер, Вольф-Дитер Шуберт, Эберхард Людериц, Ханс Уве Вольф, «Вольфрам, вольфрамовые сплавы и вольфрамовые соединения» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, Wiley-VCH, Вайнхайм. дои : 10.1002/14356007.a27_229 .
^ ДеГармо , с. 473
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ДеГармо , стр. 469–470.
^ ДеГармо , с. 472
^ Ключевые показатели EPMA 2015 , Европейская ассоциация порошковой металлургии
^ «Технологии производства порошков» . Обзор порошковой металлургии .
^ Файс, Алессандро (01 марта 2018 г.). «Быстрее БЫСТРО: электроспекание» . Отчет о металлическом порошке . 73 (2): 80–86. дои : 10.1016/j.mprp.2017.06.001 . ISSN 0026-0657 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Нго, Туан Д.; Кашани, Алиреза; Имбальцано, Габриэле; Нгуен, Кейт TQ; Хуэй, Дэвид (15 июня 2018 г.). «Аддитивное производство (3D-печать): обзор материалов, методов, приложений и проблем» . Композиты. Часть B: Инженерия . 143 : 172–196. doi : 10.1016/j.compositesb.2018.02.012 . ISSN 1359-8368 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н ^тот ^п ^д ^р ^с ^т ^в ^v ^В ^х ^и ^С ^аа ^аб ^и ^{объявление} ^но ^из ^в ^ах Фрейтас, РА; Гилбрит, WP (1 ноября 1982 г.). Передовая автоматизация космических миссий . НАСА .
^ Шисби, Дж. С. (октябрь 1979 г.). «Порошковая металлургия железа-алюминия». Стажер. J. Порошковая металлургия и порошковая технология . 15 (4): 301–305.
^ Махлуф, ММ; Плесень, АМ; Торговец, HD (июль 1979 г.). «Спекание химически предварительно кондиционированного оловянного порошка». Стажер. J. Порошковая металлургия и порошковая технология . 15 (3): 231–237.
^ Хан, МК (апрель 1980 г.). «Важность размера частиц порошка и поведения потока при производстве деталей из П/М для магнитомягких применений». Стажер. J. Порошковая металлургия и порошковая технология . 16 (2): 123–130.
^ Джайсвал, Вишал. «Определение порошковой металлургии» . Механический участок . Проверено 6 января 2020 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ДеГармо , с. 462
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ДеГармо , с. 464
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж Тодд, Роберт Х., Аллен, Делл К., Альтинг, Лео, Справочное руководство по производственным процессам , 1994 г. , Industrial Press Inc., Нью-Йорк, ISBN 0-8311-3049-0
^ Вриланд, Т.; Касирадж, П.; Аренс, Томас Дж.; Шварц, РБ (1983). «Ударная консолидация порошков - теория и эксперимент» (PDF) . Дело МРС . 28 . дои : 10.1557/PROC-28-139 .
^ Мейерс, Массачусетс; Ван, С.Л. (1988). «Улучшенный метод ударного уплотнения порошков» (PDF) . Акта Металлургика . 36 (4): 925–936. дои : 10.1016/0001-6160(88)90147-2 .
^ Василиу, Мариус; Родос, КГ; Митчелл, MR; Грейвс, Дж. А. (1989). «Метастабильная микроструктура в динамически консолидированном γ-алюминиде титана». Скрипта Металлургика . 23 (10): 1791–1794. дои : 10.1016/0036-9748(89)90362-1 .
^ PICKPM.COM: Информационный ресурс по порошковой металлургии, заархивировано 12 июля 2016 г. на Wayback Machine.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Упадхьяя, Г.С. (1996). Технология порошковой металлургии . Кембриджское международное научное издательство.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Орру, Роберто (12 февраля 2009 г.). «Материаловедение и инженерия: R: Отчеты: Консолидация / синтез материалов с помощью активированного электрическим током / спекания с помощью». Материаловедение и инженерия: R: Отчеты . 63 (4–6): 127–287. дои : 10.1016/j.mser.2008.09.003 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Юрлова, М.С. (2014). «Журнал материаловедения. Электрическая импульсная консолидация: альтернатива искровому плазменному спеканию». Журнал материаловедения . 49 (3): 952–985. дои : 10.1007/s10853-013-7805-8 . S2CID 137613369 .
^ ДеГармо , с. 406
^ ДеГармо , с. 407
^ Киплинг, доктор медицины (июль 1976 г.). «Вред для здоровья и порошковая металлургия» . Профессиональная медицина . 26 (3): 81–84. дои : 10.1093/ocmed/26.3.81 . ПМИД 957627 .

Цитируемые источники

ДеГармо, EP (2008). Материалы и процессы в производстве (PDF) (10-е изд.). Уайли. ISBN 9780470055120 . Архивировано из оригинала (PDF) 9 октября 2019 г. Проверено 9 октября 2019 г.

Дальнейшее чтение

Более ранняя версия этой статьи была скопирована из 4C Приложения Advanced Automation for Space Missions , отчета НАСА, находящегося в открытом доступе.
Р.М. Герман, «Порошковая металлургия и обработка сыпучих материалов», Федерация металлопорошковой промышленности, Принстон, Нью-Джерси, 2005.
Ф. Таммлер и Р.Оберакер «Введение в порошковую металлургию», Институт материалов, Лондон, 1993 г.
Г.С. Упадхьяя, «Спеченные металлические и керамические материалы», Джон Вили и сыновья, Западный Суссекс, Англия, 2000 г.

Внешние ссылки

Технология быстрого производства, разработанная в KU Leuven, Бельгия.
Замедленные видеоизображения распыления металла в лаборатории Эймса
APMI International «Глобальное профессиональное общество порошковой металлургии» [1] , некоммерческая организация.

[27] «Два уровня» означает, что в движении участвуют два колеса. «Три-хай» предполагает три колеса, катящиеся в разных направлениях и поставленные друг на друга.

[:7-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж «Порошковая металлургия» . Энциклопедия Бриттаника . Проверено 4 июля 2024 г.

[2] «Карбид вольфрама» . Британская энциклопедия . 03.06.2024 . Проверено 4 июля 2024 г.

[3] «Статистика и информация о вольфраме» . Национальный информационный центр полезных ископаемых . Геологическая служба США. 2024 . Проверено 4 июля 2024 г.

[:12-4] Эрик Ласснер, Вольф-Дитер Шуберт, Эберхард Людериц, Ханс Уве Вольф, «Вольфрам, вольфрамовые сплавы и вольфрамовые соединения» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, Wiley-VCH, Вайнхайм. дои : 10.1002/14356007.a27_229 .

[5] ДеГармо , с. 473

[:0-6] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ДеГармо , стр. 469–470.

[7] ДеГармо , с. 472

[8] Ключевые показатели EPMA 2015 , Европейская ассоциация порошковой металлургии

[:3-9] «Технологии производства порошков» . Обзор порошковой металлургии .

[10] Файс, Алессандро (01 марта 2018 г.). «Быстрее БЫСТРО: электроспекание» . Отчет о металлическом порошке . 73 (2): 80–86. дои : 10.1016/j.mprp.2017.06.001 . ISSN 0026-0657 .

[:6-11] Jump up to: ^а ^б ^с Нго, Туан Д.; Кашани, Алиреза; Имбальцано, Габриэле; Нгуен, Кейт TQ; Хуэй, Дэвид (15 июня 2018 г.). «Аддитивное производство (3D-печать): обзор материалов, методов, приложений и проблем» . Композиты. Часть B: Инженерия . 143 : 172–196. doi : 10.1016/j.compositesb.2018.02.012 . ISSN 1359-8368 .

[:2-12] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н ^тот ^п ^д ^р ^с ^т ^в ^v ^В ^х ^и ^С ^аа ^аб ^и ^{объявление} ^но ^из ^в ^ах Фрейтас, РА; Гилбрит, WP (1 ноября 1982 г.). Передовая автоматизация космических миссий . НАСА .

[13] Шисби, Дж. С. (октябрь 1979 г.). «Порошковая металлургия железа-алюминия». Стажер. J. Порошковая металлургия и порошковая технология . 15 (4): 301–305.

[14] Махлуф, ММ; Плесень, АМ; Торговец, HD (июль 1979 г.). «Спекание химически предварительно кондиционированного оловянного порошка». Стажер. J. Порошковая металлургия и порошковая технология . 15 (3): 231–237.

[15] Хан, МК (апрель 1980 г.). «Важность размера частиц порошка и поведения потока при производстве деталей из П/М для магнитомягких применений». Стажер. J. Порошковая металлургия и порошковая технология . 16 (2): 123–130.

[16] Джайсвал, Вишал. «Определение порошковой металлургии» . Механический участок . Проверено 6 января 2020 г.

[Degarmo_462-17] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ДеГармо , с. 462

[:4-18] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ДеГармо , с. 464

[Todd,_Robert_H._1994-19] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж Тодд, Роберт Х., Аллен, Делл К., Альтинг, Лео, Справочное руководство по производственным процессам , 1994 г. , Industrial Press Inc., Нью-Йорк, ISBN 0-8311-3049-0

[20] Вриланд, Т.; Касирадж, П.; Аренс, Томас Дж.; Шварц, РБ (1983). «Ударная консолидация порошков - теория и эксперимент» (PDF) . Дело МРС . 28 . дои : 10.1557/PROC-28-139 .

[21] Мейерс, Массачусетс; Ван, С.Л. (1988). «Улучшенный метод ударного уплотнения порошков» (PDF) . Акта Металлургика . 36 (4): 925–936. дои : 10.1016/0001-6160(88)90147-2 .

[22] Василиу, Мариус; Родос, КГ; Митчелл, MR; Грейвс, Дж. А. (1989). «Метастабильная микроструктура в динамически консолидированном γ-алюминиде титана». Скрипта Металлургика . 23 (10): 1791–1794. дои : 10.1016/0036-9748(89)90362-1 .

[23] PICKPM.COM: Информационный ресурс по порошковой металлургии, заархивировано 12 июля 2016 г. на Wayback Machine.

[:1-24] Jump up to: ^а ^б ^с Упадхьяя, Г.С. (1996). Технология порошковой металлургии . Кембриджское международное научное издательство.

[Orru-25] Jump up to: ^а ^б ^с Орру, Роберто (12 февраля 2009 г.). «Материаловедение и инженерия: R: Отчеты: Консолидация / синтез материалов с помощью активированного электрическим током / спекания с помощью». Материаловедение и инженерия: R: Отчеты . 63 (4–6): 127–287. дои : 10.1016/j.mser.2008.09.003 .

[:5-26] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Юрлова, М.С. (2014). «Журнал материаловедения. Электрическая импульсная консолидация: альтернатива искровому плазменному спеканию». Журнал материаловедения . 49 (3): 952–985. дои : 10.1007/s10853-013-7805-8 . S2CID 137613369 .

[28] ДеГармо , с. 406

[29] ДеГармо , с. 407

[30] Киплинг, доктор медицины (июль 1976 г.). «Вред для здоровья и порошковая металлургия» . Профессиональная медицина . 26 (3): 81–84. дои : 10.1093/ocmed/26.3.81 . ПМИД 957627 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]

[ 23 ]

[ 24 ]

[ 25 ]

[ 26 ]

[ а ]

[ 27 ]

[ 28 ]

[ 29 ]