Порошковая металлургия

Порошковая металлургия ( PM ) - это термин, покрывающий широкий спектр способов, которыми материалы или компоненты изготавливаются из металлических порошков . Процессы PM иногда используются для снижения или устранения необходимости выявления процессов в производстве, снижения потерь материала и снижения стоимости конечного продукта. ^{[ 1 ]} Это происходит особенно часто с небольшими металлическими деталями, такими как шестерни для небольших машин. ^{[ 1 ]} Таким образом производятся некоторые пористые изделия, позволяющие жидкости или газу проникать в них. ^{[ 1 ]} Они также используются, когда таяние материала нецелесообразно, потому что он имеет высокую температуру плавления или сплав из двух взаимно нерастворимых материалов, таких как смесь меди и графита. ^{[ 1 ]}

Таким образом, порошковая металлургия может быть использована, чтобы сделать уникальные материалы невозможными, чтобы получить от таяния или формирования другими способами. ^{[ 1 ]} Очень важный продукт этого типа - карбид вольфрама . ^{[ 1 ]} Карбид вольфрама используется для вырезания и формирования других металлов и изготовлен из частиц карбида вольфрама, связанных с кобальтом. ^{[ 2 ]} Карбид вольфрама является крупнейшим и наиболее важным использованием вольфрамового вольфрама , ^{[ 3 ]} потребление около 50% мира. ^{[ 4 ]} Другие продукты включают спеченные фильтры, пористые подшипники, пропитанные нефтью, электрические контакты и алмазные инструменты.

Методы металлургии порошка обычно состоят из сжатия порошка и нагрева (спекания) его при температуре ниже температуры плавления металла, чтобы связывать частицы вместе. ^{[ 1 ]} Порошок для процессов может быть произведен несколькими способами, включая уменьшение металлических соединений, ^{[ 1 ]} Электролизирование металлических решений, ^{[ 1 ]} и механическое дробление, ^{[ 1 ]} а также более сложные методы, в том числе различные способы фрагментирования жидкого металла в капли и конденсацию из металлического пара. Уплотнение обычно выполняется с помощью пресса, но также может быть сделано с взрывными ударами или размещением гибкого контейнера в газ или жидкости высокого давления. Спекание обычно выполняется в специальной печи, но также может быть сделано в тандеме с сжатием (горячее изостатическое сжатие) или с использованием электрических токов.

С момента появления промышленного производственного масштабного производства на основе порошковой основы в 2010-х годах селективное лазерное спекание и другие процессы производства металлических добавок являются новой категорией коммерчески важных применений порошковой металлургии.

Обзор

Процесс порошковой металлургии «пресса и спекания» обычно состоит из трех основных этапов: смешивание порошка (или пульверизация), уплотнение и спекание . Уплотнение порошка в матрице обычно выполняется при комнатной температуре. Спекание - это процесс связывания материала вместе с теплом, не разжигая его. Обычно он проводится при атмосферном давлении и под тщательно контролируемой атмосферной составом. Чтобы получить особые свойства или повышенную точность, часто следует вторичная обработка, такая как задушивание или термообработка . ^{[ 5 ]}

Одним из старых таких методов является процесс смешивания мелких (<180 микрон) металлических порошков с добавками, прижимая их к матрицу желаемой формы, а затем сядьте сжатый материал вместе под контролируемой атмосферой. Металлический порошок обычно состоит из железа, а добавки включают смазочный воск, углерод , медь и/или никель . Это производит точные части, обычно очень близкие к размерам, но с пористостью 5–15% и, следовательно, подчиненными стальными свойствами. Этот метод по-прежнему используется для составления около 1 тонн/Y структурных компонентов сплавов на основе железа. ^{[ Цитация необходима ]}

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

Порошковая ковка: «Preform», изготовленный обычным методом «прессы и спекания», нагревается, а затем горячая подделка до полной плотности, что приводит к практически в качестве свойств. ^{[ Цитация необходима ]}
Горячее изостатическое прессование (бедра): Здесь порошок, обычно атомированный газ и сферический, заполняется в форму , обычно металлический «банка». CAN вибрируется, затем эвакуируется и запечатана. Чтобы спешить порошок, он помещается в горячую «изостатическую прессу» в течение нескольких часов, где он нагревается примерно в 0,7 раза выше температуры плавления и подвергается внешнему давлению газа ~ 100 МПа. ^{[ 6 ]} Это приводит к форме полной плотности с As-Wroud или лучшими свойствами. Бедьло было изобретено в 1950-60-х годах и вступило в производство тоннажа в 1970-80-х годах. ^{[ Цитация необходима ]} В 2015 году он использовался для производства ~ 25 000 т/Y из нержавеющей стали и инструментов, а также важных частей суперсплавов для реактивных двигателей. ^{[ Цитация необходима ]}
Литье для инъекции металла обычно очень тонкий (<25 микрон) и сферический, смешивается с пластиковым или связующим . восковым (MIM): Здесь порошок , «зеленый» (с связующим) частью сложной геометрии. Эта часть затем нагревается или иным образом обрабатывается, чтобы удалить связующее, чтобы дать «коричневую» (без связующего) часть. Эта часть затем спечен и сжимается на ~ 18%, чтобы дать сложную и 95–99% плотную законченную часть (шероховатость поверхности ~ 3 микрона). ^{[ 7 ]} Изобретенные в 1970 -х годах, производство увеличилось с 2000 года с предполагаемым глобальным объемом в 2014 году на 12 000 т стоимостью 1265 миллионов евро. ^{[ 8 ]}
Технологии с помощью электрического тока атмосферы (ECAS) используют электрические токи в порошках спекания. Это резко сокращает время производства (оно может занять с 15 минут до нескольких микросекунд), не требует длинного тепла печи и обеспечивает почти теоретическую плотность, но также имеет недостаток простых фигур. ^{[ 9 ]} Породы, используемые в ECA, не требуют связующих, поскольку их можно напрямую, не подчиняясь предварительно предварительно предварительно предварительному и уплотнению с помощью связующих. ^{[ Цитация необходима ]} Формы предназначены для окончательной формы детали, поскольку порошки спекания при заполнении полости под приложенным давлением. ^{[ Цитация необходима ]} Это позволяет избежать проблемы изменений формы, вызванной неизотропным спеканием, а также искажения, вызванные гравитацией при высоких температурах. ^{[ Цитация необходима ]} Наиболее распространенной из этих технологий является горячее прессование , которое использовалось для изготовления бриллиантовых инструментов для строительной отрасли. По состоянию на 2018 год только горячее прессование и, более ограниченное, спекание Spark Plasma достигли прямого промышленного применения. ^{[ 10 ]}
Аддитивное производство (AM) - это относительно новое семейство методов, в которых используются металлические порошки (среди других материалов, такие как пластмассы), чтобы сделать детали с помощью лазерного спекания или таяния. ^{[ Цитация необходима ]} Процесс был быстрым ростом с 2015 года ^[update], ^{[ 11 ]} и по состоянию на 2018 год использовался преимущественно для исследований, прототипирования или передовых применений в аэрокосмической промышленности, хотя также в биомедицинской, оборонной и автомобильной промышленности. ^{[ 11 ]} Он использовался в аэрокосмической промышленности, потому что традиционные процессы являются более трудоемкими, сложными и дорогостоящими. ^{[ 11 ]} Процессы включают 3D -печать , селективное лазерное спекание (SLS), селективное лазерное плавление (SLM) и таяние электронного луча (EBM). ^{[ Цитация необходима ]}

История и возможности

История порошковой металлургии и искусство металла и керамического спекания тесно связаны друг с другом. Спекание включает в себя производство твердого металла или керамического куска из стартового порошка. Древние инки сделали украшения и другие артефакты из порошков драгоценных металлов, хотя массовое производство продуктов PM не началось до середины или конца 19 -го века. В этих ранних производственных операциях железо было извлечено вручную из металлической губки после восстановления, а затем был вновь введен в качестве порошка для окончательного плавления или спекания. ^{[ 12 ]}

Гораздо более широкий ассортимент продуктов может быть получен из порошковых процессов, чем от прямого легирования плавных материалов. В операциях плавления « фазовое правило » относится ко всем чистым и комбинированным элементам и строго диктует распределение жидких и твердых фаз , которые могут существовать для определенных композиций. Кроме того, для легирования требуется таяние начальных материалов, навязывая нежелательные химические, тепловые и сдерживающие ограничения на производство. К сожалению, обращение с алюминиевыми/железными порошками создает серьезные проблемы. ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]} Другие вещества, которые особенно реагируют с атмосферным кислородом, такими как олово , спекания в специальной атмосфере или с временными покрытиями. ^{[ 12 ]}^{[ 14 ]}

В порошковой металлургии или керамике можно изготовить компоненты, которые в противном случае разлагались или распадались. Все соображения изменений фазы твердого жидкости могут быть проигнорированы, поэтому порошковые процессы являются более гибкими, чем методы отливки , экструзии или ковки . ^{[ 12 ]} Контролируемые характеристики продуктов, приготовленных с использованием различных порошковых технологий, включают механические, магнитные, ^{[ 12 ]}^{[ 15 ]} и другие нетрадиционные свойства таких материалов, как пористые твердые тела, агрегаты и интерметаллические соединения. ^{[ 12 ]} Конкурентные характеристики обработки производства (например, износ инструментов, сложность или варианты поставщиков) также могут контролироваться. ^{[ 12 ]}

Специальные продукты

Многие специальные продукты возможны с технологией порошковой металлургии. Неэксуальный список включает в себя усы Al ₂ O _3, покрытые очень тонкими оксидными слоями для улучшения преломления; Железные компакты с Al ₂ O ₃ покрытиями для улучшения высокой температурной прочности ползучести; Лампольные нити, изготовленные из порошковой технологии; подкладка для трэшковых тормозов; Металлические очки для высокопрочных пленок и лент; Тепловые щиты для появления космического корабля в атмосферу Земли; Электрические контакты для обработки больших потоков тока; магниты ; Микроволновые ферриты ; фильтры для газов; и подшипники , которые могут быть проникли в смазочные материалы . ^{[ 12 ]}

Чрезвычайно тонкие пленки и крошечные сферы демонстрируют высокую прочность. Одно из применений этого наблюдения состоит в том, чтобы покрыть хрупкие материалы в форме Whisker с субмикрометровой пленкой с большим более мягким металлом (например, вольфрам с кобальтом ). Поверхностная деформация тонкого слоя помещает более твердый металл в сжатие, так что, когда весь композит спечен, прочность разрыва заметно увеличивается. С помощью этого метода были наблюдались сильные стороны по порядку 2,8 ГПа против 550 МПа, соответственно, покрытые (25% кобальт) и не покрытые вольфрамовыми карбидами . ^{[ 12 ]}

Производство порошка

Любой плавкий материал может быть распылен. ^{[ 12 ]} Было разработано несколько методов, которые позволяют большую скорость производства порошкообразных частиц, часто с значительным контролем по размерам конечной популяции зерна. ^{[ 12 ]} Порошки могут быть получены путем дробления, шлифования, химических реакций или электролитического осаждения. ^{[ 12 ]} Наиболее часто используемыми порошками являются медные и железные материалы. ^{[ 16 ]}

Порошки элементов титана, ванадия, тория, ниобия, тантала, кальция и урана были получены путем высокотемпературного восстановления соответствующих нитридов и карбидов . Породы железа, никеля, урана и бериллиума субмикрометра получают путем уменьшения металлических оксалатов и форм . Чрезвычайно мелкие частицы также были получены путем направления потока расплавленного металла через высокотемпературную плазменную струю или пламя , распыляя материал. Различные химические и связанные с пламенем процессы порошковой породы применяются частично, чтобы предотвратить серьезное ухудшение поверхностей частиц с помощью атмосферного кислорода. ^{[ 12 ]}

Порошок можно получить с помощью распыления газа или воды, ^{[ 17 ]} центробежная атомизация, ^{[ 12 ]} химически уменьшая соединения частиц, ^{[ 17 ]} электролитическое осаждение в соответствующих условиях, ^{[ 17 ]} Простая пульверация и шлифование, ^{[ 17 ]} тепловое разложение гидридов частиц или карбонилов, ^{[ 17 ]} осаждение из раствора, ^{[ 17 ]} а также конденсация из испаренного металла. ^{[ 17 ]}

Атомизация газа

Атомизация достигается путем затягивания потока расплавленного металла через отверстие при умеренных давлениях. ^{[ 12 ]} Газ вводится в металлический поток непосредственно перед тем, как он покинет форсунку, служащей для создания турбулентности, когда увлеченный газ расширяется (из -за нагрева) и выходит в большой объем сбора, наружу от отверстия. ^{[ 12 ]} Объем сбора заполнен газом, чтобы способствовать дальнейшей турбулентности струи расплавленного металла. ^{[ 12 ]} Потоки воздуха и порошка отделяются с использованием гравитационного или циклонического разделения . ^{[ 12 ]}

Доступны простые методы атомизации, в которых жидкий металл навязывается через отверстие с достаточно высокой скоростью, чтобы обеспечить турбулентный поток. Используемый индекс производительности - это номер Рейнольдса . При низком уровне жидкой струи колеблется, но при более высоких скоростях поток становится турбулентным и разбивается на капли. Энергия накачки применяется к образованию капель с очень низкой эффективностью (по порядку 1% ), а контроль над распределением размерных металлических частиц довольно плох. Другие методы, такие как вибрация сопла, асимметрия сопла, множественные удлиняющие потоки или инъекция расплавленного металла в окружающий газ, доступны для повышения эффективности атомизации, создают более тонкие зерна и сузить распределение частиц. К сожалению, трудно выбросить металлы через отверстия меньше, чем несколько миллиметров в диаметре, что на практике ограничивает минимальный размер порошковых зерен приблизительно 10 мкм . Атомизация также дает широкий спектр размеров частиц, что требует классификации нисходящей по течению путем скрининга и переворачивания значительной части границы зерна. ^{[ 12 ]}

Центробежные методы

Центробежная распад расплавленных частиц предлагает один путь вокруг этих проблем. Обширный опыт доступен с железом, сталью и алюминием. Металл, который будет пудром, образуется в стержень, который вводится в камеру через быстро вращающийся шпиндель. Напротив кончика шпинделя находится электрод, из которого установлена дуга, который нагревает металлический стержень. Когда материал наконечника сливается, быстрое вращение стержня отбрасывает крошечные капли расплава, которые затвердевают перед ударом по стенам камеры. Циркулирующий газ подметает частицы из камеры. Подобные методы могут быть использованы в космосе или на Луне. Стенка камеры может быть повернута, чтобы заставить новые порошки в дистанционные сосуды сбора, а электрод может быть заменен солнечным зеркалом, сфокусированным на конце стержня. ^{[ 12 ]}

Альтернативный подход, способный производить очень узкое распределение размеров зерна, но с низкой пропускной способностью состоит из быстро вращающейся чаши, нагретой намного выше температуры плавления материала, чтобы быть порошковым. Жидкий металл, введенный на поверхность бассейна вблизи центра при скорости потока, регулируемой, чтобы позволить тонкой металлической пленке равномерно на пленку вверх по стенам и по краю, разбивается на капли, каждая из которых приблизительно толщина пленки. ^{[ 12 ]}

Атомизация воды

Другая техника производства порошка включает в себя тонкую струю жидкого металла, пересекаемой высокоскоростными потоками атомированной воды, которая разбивает струйку на капли и охлаждает порошок, прежде чем он достигнет дна корзины. В последующих операциях порошок сушат. ^{[ 12 ]} Это называется распылением воды. ^{[ 17 ]} Атомизация воды охлаждает и укрепляет металлические частицы быстрее, чем распыление газа. ^{[ 17 ]} Поскольку скорость затвердевания обратно пропорциональна размеру частиц, более мелкие частицы могут быть изготовлены с использованием распыления воды. ^{[ Цитация необходима ]} Чем меньше частицы, тем гомогенна микроструктура. ^{[ Цитация необходима ]} Частицы, полученные таким образом, также будут иметь более нерегулярную форму ^{[ 17 ]} и распределение частиц по размерам будет шире. ^{[ Цитация необходима ]} Кроме того, некоторое загрязнение поверхности может происходить при образовании окисления кожи. ^{[ Цитация необходима ]} Порошок может быть уменьшен путем какой-либо предпринимательской обработки, такой как отжиг, используемый для изготовления керамических инструментов. ^{[ Цитация необходима ]}

Порошковое уплотнение

Уплотнение порошка, одним из наиболее важных этапов в процессах металлургии порошка, является процесс уплотнения металлического порошка посредством применения высоких давлений. ^{[ 18 ]} Большая часть порошковой уплотнения выполняется с помощью механических прессов и жестких инструментов, но также можно использовать гидравлические и пневматические методы, а также методы, которые объединяют уплотнение с спеканием, такие как горячее изостатическое уплотнение. ^{[ 18 ]} Также используются традиционные процессы сформирования металлов, включая прокатывание, кожу, экструзию и переварение. ^{[ 18 ]}

Плотность уплотненного порошка увеличивается с приложенным количеством давления. Типичные давления варьируются от 80 до 1000 фунтов на квадратный дюйм (0,5 МПа до 7 МПа), было получено давление от 1000 фунтов на квадратный дюйм до 1 000 000 фунтов на квадратный дюйм. Давление 10 т/в ² до 50 т/дюймов ² (От 150 МПа до 700 МПа) обычно используются для уплотнения металлического порошка. Чтобы достичь того же коэффициента сжатия через компонент с более чем одним уровнем или высотой, необходимо работать с несколькими более низкими ударами. Цилиндрическая заготовка сделана с помощью одноуровневого инструмента. Более сложная форма может быть изготовлена с помощью общего многоуровневого инструмента. ^{[ Цитация необходима ]}

Умирайте прессование

Доминирующая технология для формирования продуктов из порошковых материалов с точки зрения как количества тоннажа, так и количества произведенных деталей, является нажатием. Существуют механические, серво-электрические и гидравлические прессы, доступные на рынке, в результате чего самая большая пропускная способность порошка обрабатывается гидравлическими прессами. Эта технология формирования включает в себя производственный цикл ниже, который предлагает легко автоматизированный и высокий процесс производства: ^{[ Цитация необходима ]}

Заполнение полости кубика известным объемом порошкового сырья, доставленного из обуви.
Уплотнение порошка в матрице с ударами, чтобы сформировать компактный. Как правило, давление уплотнения применяется через удары с обоих концов инструментального набора, чтобы снизить уровень градиента плотности в компакте.
Выброс компакта из матрицы с использованием нижнего удара (ES) отмены из матрицы.
Удаление компакта с верхней поверхности матрицы с использованием обуви на заливке на стадии заполнения следующего цикла или системы автоматизации или робота.

Как правило, инструменты удерживаются в вертикальной ориентации с инструментом Punch, образующим нижнюю часть полости. ^{[ 19 ]} Вероятно, самым основным соображением является возможность удалить часть из матрицы после ее нажатия, а также избегание острых углов в дизайне. Сохранение максимальной площади поверхности ниже 20 квадратных дюймов (0,013 М ²и рекомендуется соотношение высоты к диаметре ниже 7 к 1. Наряду с тем, что стены толще 0,08 дюйма (2,0 мм) и сохранение смежных соотношений толщины стенки ниже 2,5 к 1. ^{[ 19 ]}

Одним из основных преимуществ этого процесса является его способность производить сложную геометрию. Части с подрезом и потоками требуют вторичной операции обработки. Типичные размеры деталей варьируются от 0,1 квадратных дюймов (0,65 см ²) до 20 квадратных дюймов (130 см ²) в области и от 0,1 до 4 дюймов (от 0,25 до 10,16 см) в длину. Тем не менее, можно произвести детали, которые менее 0,1 квадратных дюймов (0,65 см ²) и более 25 квадратных дюймов (160 см ²) в области и от доли дюйма (2,54 см) до примерно 8 дюймов (20 см) в длину. ^{[ 19 ]} Маленькие механические прессы, как правило, могут компактные около 100 штук в минуту. ^{[ 18 ]}

В уплотнении умирают четыре основных класса стилей инструментов: одноэффективное уплотнение, используемые для тонких плоских компонентов; против двойного действия с двумя движениями пунша, которые размещают более толстые компоненты; двойное действие с плавающей матрицей; и двойное действие умирает. Классы двойного действия дают гораздо лучшее распределение плотности, чем единое действие. Инструмент должен быть спроектирован таким образом, чтобы он выдерживал крайнее давление без деформирования и изгиба. Инструменты должны быть изготовлены из полированных и износостойких материалов. ^{[ 19 ]}

Шоковая консолидация

Консолидация шока, или динамическая консолидация, является экспериментальной техникой консолидации порошков с использованием волн с высоким давлением. ^{[ 20 ]}^{[ 21 ]} Этот метод полезен для очень больших продуктов, в том числе более 3000 тонн и более 100 квадратных дюймов. ^{[ 18 ]} Они обычно производятся путем воздействия на заготовку с взрывной ускоренной пластиной. ^{[ Цитация необходима ]} Несмотря на то, что у этой техники все еще есть некоторые проблемы в управляемости и однородности. ^{[ Цитация необходима ]}Тем не менее, он предлагает некоторые ценные потенциальные преимущества. В качестве примера, консолидация происходит настолько быстро, что метастабильные микроструктуры могут быть сохранены. ^{[ 22 ]}

Холодное изостатическое уплотнение

Изостатическая порошка уплотнение является альтернативным методом уплотнения порошка. ^{[ 18 ]} При холодном изостатическом уплотнении частицы мелких металлов помещаются в гибкую форму, которая затем погружается в газ или жидкость высокого давления со всех сторон (изостатические). ^{[ 18 ]} После спекания этот производственный процесс производит очень небольшой металлолом и может использоваться для изготовления множества различных форм. Допуски, которые этот процесс может достичь в сочетании с спеканием, являются очень точными, в диапазоне от +/- 0,008 дюйма (0,2 мм) для осевых размеров и +/- 0,020 дюйма (0,5 мм) для радиальных размеров. Это наиболее эффективный тип сжигания порошка (следующие подкатегории также из этой ссылки). ^{[ 19 ]} Эта операция, как правило, применима только к небольшим производственным количествам, и, хотя стоимость плесени намного ниже, чем у нажатых штампов, она, как правило, не используется повторно, а время производства намного дольше. ^{[ 23 ]} Частота производства обычно очень низкие, но детали весом до 100 фунтов могут быть эффективно уплотнены. ^{[ 18 ]} Поскольку давление оказывается со всех направлений, для получения более высокой плотности порошка необходимы более низкие давления уплотнения. ^{[ 18 ]}

Давление сжигания 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 приблизительно 2000 фунтов на квадратный дюйм (14 000 кПа) до 10 000 фунтов на квадратный дюйм (69 000 кПа) для неметаллов. ^{[ 19 ]} Плотность изостатических компактных частей на 5–10% выше, чем в других процессах металлургии порошковой металлургии. ^{[ 19 ]} Типичные размеры заготовки варьируются от 0,25 в (6,35 мм) до 0,75 в (19,05 мм) толщиной и 0,5 дюйма (12,70 мм) до 10 дюймов (254 мм) длиной. Можно компактные заготовки, которые составляют от 0,0625 в (1,59 мм) и 5 дюймов толщиной (127 мм), и длиной 0,0625 в (1,59 мм) до 40 в (1016 мм). ^{[ 19 ]}

Преимущества по сравнению с стандартным уплотнением порошка - это возможность более тонких стен и более крупных заготовков. Соотношение высоты к диаметру не имеет ограничений. Не существует конкретных ограничений в изменениях толщины стенки, подрезах , рельефах, нити и перекрестных отверстий. Для уплотнения изостатического порошка не требуется смазки. Минимальная толщина стенки составляет 0,05 дюйма (1,27 мм), а продукт может иметь вес от 40 до 300 фунтов (18 и 136 кг). После усадки порошка от 25 до 45% усадки порошка. ^{[ 19 ]}

Изостатические инструменты доступны в трех стилях, бесплатной плесени (мокрой мех), крупной плесени (влажной мешок) и фиксированной плесени (сухой мешок). Бесплатный стиль плесени является традиционным стилем изостатического уплотнения и обычно не используется для высокопроизводительных работ. В свободном инструменте плесени плесень удаляется и заполняется вне канистра. Влажная сумка - это место, где плесень расположена в канистру, но наполненную снаружи. В фиксированной плесени инструментария плесень содержится в канистру, которая облегчает автоматизацию процесса. ^{[ 19 ]}

Спекание

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

Спекание порошковых металлов - это процесс, в котором частицы под давлением химически связываются с собой, чтобы сформировать когерентную форму при воздействии высокой температуры. Температура, при которой частицы спекают, чаще всего ниже температуры плавления основного компонента в порошке. ^{[ 24 ]} Если температура выше температуры плавления компонента в детали порошкового металла, жидкость расплавленных частиц заполняет поры. Этот тип спекания известен как спекание жидкого состояния. ^{[ 6 ]} Основная проблема с спеканием в целом - знать влияние процесса на размеры компактных частиц. Это особенно сложно для целей инструмента, в которых могут потребоваться конкретные измерения. Потеплая часть наиболее распространена, чтобы сократить и становиться более плотной, но она также может расширить или не испытывать чистого изменения. ^{[ 24 ]}

Основная движущая сила для твердого спекания -это избыток энергии без поверхности. Процесс твердого спекания является сложным и зависит от условий материала и печи (температура и газа). Существует шесть основных этапов, которые могут быть сгруппированы процессы спекания, в которых может быть перекрывается друг с другом: 1 начальная связь между частицами, 2) рост шеи, 3) закрытие пор -канала, 4) округление пор, 5) уплотнение или усадка пор и 6 ) пор. Основными механизмами, присутствующими на этих этапах, являются испарение , конденсация , границы зерна , объемная диффузия и пластическая деформация . ^{[ 24 ]}

В ходе этого процесса увеличивается ряд характеристик, включая прочность , пластичность , вязкость , электрическую и теплопроводность материала. Если различные элементарные порошки будут компактны и спех, материал образуется в сплавы и интерметаллические фазы. ^{[ 6 ]} По мере уменьшения размеров пор плотность материала увеличится. Как указано выше, эта усадка является огромной проблемой при изготовлении деталей или инструментах, в которых требуются конкретные измерения. Усадка испытательных материалов контролируется и используется для манипулирования условиями печи или для увеличения компактных материалов для достижения желаемых размеров. Хотя спекание не истощает компактную часть пористости . В целом, порошковые металлические детали содержат от пяти до двадцати пяти процентов пористости после спекания. ^{[ 6 ]}

Общая спекающая печь

Большинство спекающих печей содержат три зоны с тремя различными свойствами, которые помогают выполнять шесть шагов выше. Первая зона, обычно придуманная стадия сгора или чистки, предназначена для сжигания воздуха, сжигания любых загрязняющих веществ, таких как смазка или связующие, и медленно повышает температуру компактных материалов. Если температура компактных частей повышается слишком быстро, воздух в полях будет находиться при очень высоком внутреннем давлении, что может привести к расширению или перелому детали. Вторая зона, известная как высокотемпературная стадия, используется для получения твердотельной диффузии и соединения частиц. Материал стремится снизить его поверхностную энергию и делает это, движется к точкам контакта между частицами. Точки контакта становятся больше, и в конечном итоге создается твердая масса с небольшими полями. Третья зона, также называемая периодом охлаждения, используется для охлаждения деталей, пока еще находится в контролируемой атмосфере. Это важная зона, поскольку она предотвращает окисление от немедленного контакта с воздухом или явления, известного как быстрое охлаждение. Все три этапа должны проводиться в контролируемой атмосфере, не содержащей кислорода. Водород, азот, диссоциированный аммиак и трещины углеводородов представляют собой обычные газы, перекачиваемые в зоны печи, обеспечивающие восстановительную атмосферу, предотвращая образование оксида. ^{[ 6 ]}

Горячая изостатическая нажатия

Микроструктура никелевого сплава после горячего изостатического нажатия

Горячая изостатическая нажатия (бедра) сжимает и спекает одновременно ^{[ 12 ]} Применяя тепло на порядок 2300 ° F (1250 ° C), в случае железа или 2750 ° F (1500 ° C) в случае сплавов никеля. ^{[ 18 ]} Эта процедура вместе с методами сжатия, управляемых взрывом широко используется в производстве высокотемпературных и высокопрочных частей, таких как турбинные диски для реактивных двигателей. ^{[ 12 ]} В большинстве применений металлургии порошка компакт горячий, нагревается до температуры, над которой материалы не могут оставаться запорными. ^{[ 12 ]} Горячие прессы снижают давление, необходимые для снижения пористости и скорости сварки и процессов деформации зерна. ^{[ 12 ]} Это также позволяет лучше контролировать продукт, уменьшает чувствительность к физическим характеристикам стартовых материалов и позволяет сжимать порошок до более высокой плотности, чем при холодном прессовании, что приводит к более высокой прочности. ^{[ 12 ]} Негативные аспекты горячего прессования включают в себя более короткую жизнь, более медленную пропускную способность из -за порошкового нагрева, а также частую необходимость для защитных атмосфер или простого вакуума на стадии формирования и охлаждения. ^{[ 12 ]}^{[ 18 ]}

Подросток производит продукты, часто более высокого качества, чем другие процессы. ^{[ 18 ]} Тем не менее, бедро является дорогостоящим и, как правило, не наносительно для производства больших объемов, из-за высокой стоимости размещения порошка в гибкую изолирующую среду, которая может противостоять температурам и давлениям ( консервирование ), а затем удаляет его из этой среды ( декантинг ), а также длительные периоды времени, которые могут варьироваться от 6 до 8 часов. ^{[ 18 ]}

Электрический ток с помощью спекания

Эти методы используют электрические токи для управления или улучшения спекания. ^{[ 25 ]} Комбинация механического давления и электрического тока, проходящая через порошок или контейнер, значительно уменьшает время спекания по сравнению с обычными растворами. ^{[ 25 ]} Существует много классификаций этих методов, но их можно разделить на две основные категории: методы спекания сопротивления, которые применяют более низкие напряжения и токи и берут на себя от примерно десяти секунд до десяти минут; и электрический спекание, которые используют конденсаторные банки для достижения более высоких токов и напряжений, а также от десятков микросекундов до десятков миллисекундов. ^{[ 25 ]} Методы спекания сопротивления включают спекание искры в плазме (SPS), активируемое плазмой спекание (PAS) и пульсное электрическое ток (PECS). ^{[ 26 ]} Стопки электрического сброса включают спекание конденсаторов . ^{[ 26 ]} В настоящее время спекание Spark Plasma в настоящее время является наиболее часто используемым методом консолидации электрического импульса в целом. ^{[ 26 ]}

Напряжения спекания сопротивления обычно достигают около 1 кА на квадратный сантимер, в то время как электрические напряжения спекания требуют очень высоких напряжений, более 10 кА на квадратный сантимер. ^{[ 26 ]} Методы спекания сопротивления - это методы консолидации, основанные на температуре, где нагрев плесени и порошков достигается с помощью электрических токов, обычно с характерным временем обработки от 15 до 30 минут. С другой стороны, методы спекания электрического разряда полагаются на токи высокой плотности (от 0,1 до 1 кА/мм^2), чтобы непосредственно спеять электрически проводящие порошки, с характерным временем между десятками микросекунд до сотен миллисекундов. ^{[ Цитация необходима ]}

Непрерывная обработка порошка

Строгое, фраза «непрерывный процесс» следует использовать только для описания способов производства, которые могут быть продлены на неопределенный срок во времени. Обычно, однако, термин относится к процессам, чьи продукты гораздо дольше в одном физическом измерении, чем в двух других. Сжатие, проката и экструзия являются наиболее распространенными примерами. ^{[ 12 ]}

Сжатие

В простом процессе сжатия порошок течет из мусорного ведра на двухстенный канал и многократно сжимается вертикально горизонтально стационарным ударом. После снятия сжатия из конвейера уплотненная масса вводится в спекающую печь. Еще более простым подходом является опрыскивание порошка на движущийся ремень и спекаю его без сжатия. Тем не менее, трудно найти хорошие методы для снятия материалов холодного отжима от движущихся поясов. Одной из альтернативы, которая в целом позволяет избежать сложности по ухудшению ремней, является производство металлических листов с использованием противоположных гидравлических баранов , хотя линии слабости на листе могут возникнуть во время последовательных операций прессы. ^{[ 12 ]}^{[ необходимо дальнейшее объяснение ]}

Прокатывание

Порошки также могут быть свернуты, чтобы произвести листы. Порошковый металл подается в двухвы высокий холм, ^{[ А ]} и уплотняется в полосовую форму со скоростью до 100 футов в минуту (0,5 м/с). Затем полоса спехает и подвергается другому катящемуся и дальнейшему спеканию. Прокатка обычно используется для производства листового металла для электрических и электронных компонентов, а также монет . Значительная работа также была проделана по переворачиванию нескольких слоев различных материалов одновременно в листы. ^{[ 12 ]}

Экструзия

Процессы экструзии имеют два общих типа. В одном типе порошок смешивают с связующим или пластификатором при комнатной температуре; В другом порошок экструдируется при повышенных температурах без укрепления. ^{[ необходимо дальнейшее объяснение ]} Экстразии с связующими широко используются при приготовлении композитов вольфрамового карбина. Пробирки, сложные срезы и спиральные формы буровых работ изготавливаются по расширенной длине, а диаметры варьируются в диапазоне 0,5–300 мм (0,020–11,811 дюймов). Германные металлические провода диаметром 0,1 мм (0,0039 дюйма) были взяты из порошкового запаса. На противоположной крайности могут быть возможными большие экстразиции на тоннаже. ^{[ 12 ]}

Для более мягких, более легких металлов, таких как алюминиевые и медные сплавы. Непрерывная экструзия также может быть выполнена с использованием таких процессов, как соответствие или непрерывное вращение. Эти процессы используют вращающееся колесо с канавкой вокруг его окружности, чтобы провести свободный порошок через образующуюся матрицу. Благодаря комбинации высокого давления и сложного пути деформации частицы порошка деформируются, генерируют большое количество тепла трения и связывания вместе, образуя массовое твердое вещество. Теоретически, полностью непрерывная работа возможна, если порошок можно вписать в процесс. ^{[ 27 ]}

По -видимому, нет никаких ограничений для разнообразия металлов и сплавов, которые могут быть экструдированы, при условии, что температура и давление находятся в пределах возможностей материалов. ^{[ 12 ]} Длина экструзии может варьироваться от 3 до 30 м ^{[ 28 ]} и диаметры от 0,2 до 1 м. Современные прессы в значительной степени автоматические и работают на высоких скоростях (по порядку M/S). ^{[ 12 ]}

Опасности

Специальные материалы и процессы, используемые в металлургии порошка, могут поставить опасность для жизни и имущества. Высокое соотношение поверхностных районов к объему порошков может повысить их химическую реакционную способность в биологических воздействиях (например, вдыхание или проглатывание) и увеличивает риск взрывов пыли . Материалы, считающиеся относительно доброкачественными массовыми, могут представлять особые токсикологические риски, когда в тонко разделенной форме. Вдыхание тяжелых металлов может привести к многим проблемам со здоровьем. Свинец и кадмий, как правило, токсичные, а кобальт может вызывать астму и фиброз у чувствительных людей. ^{[ 29 ]}

Смотрите также

Примечания

^ «Двух высоты» означает, что в прокат, вовлеченные два колеса. «Трех высоты» будет включать три колеса, катящиеся в разных направлениях, сложенных друг на друга.

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} ^и ^фон ^глин ^час ^я ^Дж «Порошковая металлургия» . Энциклопедия Бриттаника . Получено 2024-07-04 .
^ «Карбид вольфрама» . Энциклопедия Британская . 2024-06-03 . Получено 2024-07-04 .
^ «Статистика и информация вольфрама» . Информационный центр национальных полезных ископаемых . Геологическая служба США. 2024 . Получено 2024-07-04 .
^ Эрик Ласснер, Вольф-Дитер Шуберт, Эберхард Людериц, Ханс Уве Вольф, «Вольфрам, вольфрамовые сплавы и вольфрамовые соединения» в энциклопедии Ульмана промышленной химии, Wiley-Vch, Weinheim. Doi : 10.1002/14356007.a27_229 .
^ Degarmo , p. 473
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} ^и ^фон Degarmo , pp. 469–470
^ Degarmo , p. 472
^ Ключевые цифры EPMA 2015 , Европейская ассоциация металлургии порошка
^ «Технологии производства порошка» . Порошковая металлургия обзор .
^ Fais, Alessandro (2018-03-01). «Быстро быстрее: электропроводка» . Металлический порошок отчет . 73 (2): 80–86. doi : 10.1016/j.mprp.2017.06.001 . ISSN 0026-0657 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в НПО, Туан Д.; Кашани, Алиреза; Игбалзано, Габриэле; Нгуен, Кейт TQ; Хуэй, Дэвид (2018-06-15). «Аддитивное производство (3D -печать): обзор материалов, методов, применений и проблем» . Композиты Часть B: Инжиниринг . 143 : 172–196. doi : 10.1016/j.compositesb.2018.02.012 . ISSN 1359-8368 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} ^и ^фон ^глин ^час ^я ^Дж ^k ^л ^м ^не ^а ^п ^Q. ^{ведущий} ^с ^Т ^в ^v ^В ^х ^и ^С ^аа ^Аб ^и ^{объявление} ^Но ^из ^в ^{нравиться} Фрейтас, Ра; Гилбрит, WP (1 ноября 1982 г.). Усовершенствованная автоматизация для космических миссий . НАСА .
^ Sheasby, JS (октябрь 1979 г.). «Порошковая металлургия железного алюминия». Стажер J. Порошковая металлургия и порошковая технология . 15 (4): 301–305.
^ Махлуф, мм; Плесень, Am; Торговец, HD (июль 1979 г.). «Спекание химически предварительного оловянного порошка». Стажер J. Порошковая металлургия и порошковая технология . 15 (3): 231–237.
^ Хан, MK (апрель 1980). «Важность размера частиц порошка и поведения потока в производстве P/M деталей для мягких магнитных применений». Стажер J. Порошковая металлургия и порошковая технология . 16 (2): 123–130.
^ Джайсвал, Вишал. «Определите металлургию порошка» . Механический сайт . Получено 6 января 2020 года .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} ^и ^фон ^глин ^час ^я ^Дж Degarmo , p. 462
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} ^и ^фон ^глин ^час ^я ^Дж ^k ^л ^м Degarmo , p. 464
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} ^и ^фон ^глин ^час ^я ^Дж Тодд, Роберт Х., Аллен, Dell K., Alting, LEO1994 Процессы производственных процессов Справочное руководство , Industrial Press Inc., Нью -Йорк, ISBN 0-8311-3049-0
^ Vreeland, T.; Касирадж, П.; Аренс, Томас Дж.; Schwarz, RB (1983). «Шоковая консолидация порошков - теория и эксперимент» (PDF) . Миссис Труды . 28 doi : 10.1557/proc-28-139 .
^ Мейерс, Массачусетс; Ван, С.Л. (1988). «Улучшенный метод консолидации порошков» (PDF) . Acta Metallurgica . 36 (4): 925–936. doi : 10.1016/0001-6160 (88) 90147-2 .
^ Вассилиу, Мариус; Rhodes, CG; Митчелл, мистер; Грейвс, JA (1989). «Метастабильная микроструктура в динамически консолидированном γ -титановом алюминиде». Scripta Metallurgica . 23 (10): 1791–1794. doi : 10.1016/0036-9748 (89) 90362-1 .
^ Pickpm.com: информационный ресурс Порошковой металлургии архив 2016-07-12 на машине Wayback
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в Упадхьяя, GS (1996). Порошковая металлургия технологии . Кембриджская международная научная публикация.
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в Орру, Роберто (2009-02-12). «Материаловая и инженерия: r: Отчеты: консолидация/синтез материалов с помощью электрического тока активированного/вспомогательного спекания». Материаловая и инженерия: R: Отчеты . 63 (4–6): 127–287. doi : 10.1016/j.mser.2008.09.003 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} Yurlova, MS (2014). «Журнал материаловедения, консолидация пульса: альтернатива зажиганию плазменного спекания». Журнал материаловедения . 49 (3): 952–985. doi : 10.1007/s10853-013-7805-8 . S2CID 137613369 .
^ Degarmo , p. 406
^ Degarmo , p. 407
^ Киплинг, доктор медицинских наук (июль 1976 г.). «Опасность для здоровья и металлургия порошка» . Профессиональная медицина . 26 (3): 81–84. doi : 10.1093/occmed/26.3.81 . PMID 957627 .

Цитируемые источники

Degarmo, EP (2008). Материалы и процессы в производстве (PDF) (10 -е изд.). Уайли. ISBN 9780470055120 Полем Архивировано из оригинала (PDF) 2019-10-09 . Получено 2019-10-09 .

Дальнейшее чтение

Более ранняя версия этой статьи была скопирована из 4C Приложения Advanced Automation для космических миссий , отчета НАСА в общественном доступе.
RM German, «Порошковая металлургия и обработка твердых частиц», Федерация металлической порошковой промышленности, Принстон, Нью -Джерси, 2005.
Ф. Туммлер и Р.оберкер «Введение в порошковую металлургию» Институт материалов, Лондон 1993
GS upadhyaya, «Снигающие металлические и керамические материалы» Джон Вили и сыновья, Западный Суссекс, Англия, 2000

Внешние ссылки

Техника быстрого производства, разработанная в Ku Leuven, Бельгия
Медленное движение видеоизображения металлических распылений в лаборатории Эймса
APMI International "Глобальное профессиональное общество по порошковой металлургии" [1] , некоммерческая организация

[27] «Двух высоты» означает, что в прокат, вовлеченные два колеса. «Трех высоты» будет включать три колеса, катящиеся в разных направлениях, сложенных друг на друга.

[:7-1] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} ^и ^фон ^глин ^час ^я ^Дж «Порошковая металлургия» . Энциклопедия Бриттаника . Получено 2024-07-04 .

[2] «Карбид вольфрама» . Энциклопедия Британская . 2024-06-03 . Получено 2024-07-04 .

[3] «Статистика и информация вольфрама» . Информационный центр национальных полезных ископаемых . Геологическая служба США. 2024 . Получено 2024-07-04 .

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

[5] Degarmo , p. 473

[:0-6] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} ^и ^фон Degarmo , pp. 469–470

[7] Degarmo , p. 472

[8] Ключевые цифры EPMA 2015 , Европейская ассоциация металлургии порошка

[:3-9] «Технологии производства порошка» . Порошковая металлургия обзор .

[10] Fais, Alessandro (2018-03-01). «Быстро быстрее: электропроводка» . Металлический порошок отчет . 73 (2): 80–86. doi : 10.1016/j.mprp.2017.06.001 . ISSN 0026-0657 .

[:6-11] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в НПО, Туан Д.; Кашани, Алиреза; Игбалзано, Габриэле; Нгуен, Кейт TQ; Хуэй, Дэвид (2018-06-15). «Аддитивное производство (3D -печать): обзор материалов, методов, применений и проблем» . Композиты Часть B: Инжиниринг . 143 : 172–196. doi : 10.1016/j.compositesb.2018.02.012 . ISSN 1359-8368 .

[:2-12] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} ^и ^фон ^глин ^час ^я ^Дж ^k ^л ^м ^не ^а ^п ^Q. ^{ведущий} ^с ^Т ^в ^v ^В ^х ^и ^С ^аа ^Аб ^и ^{объявление} ^Но ^из ^в ^{нравиться} Фрейтас, Ра; Гилбрит, WP (1 ноября 1982 г.). Усовершенствованная автоматизация для космических миссий . НАСА .

[13] Sheasby, JS (октябрь 1979 г.). «Порошковая металлургия железного алюминия». Стажер J. Порошковая металлургия и порошковая технология . 15 (4): 301–305.

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

[15] Хан, MK (апрель 1980). «Важность размера частиц порошка и поведения потока в производстве P/M деталей для мягких магнитных применений». Стажер J. Порошковая металлургия и порошковая технология . 16 (2): 123–130.

[16] Джайсвал, Вишал. «Определите металлургию порошка» . Механический сайт . Получено 6 января 2020 года .

[Degarmo_462-17] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} ^и ^фон ^глин ^час ^я ^Дж Degarmo , p. 462

[:4-18] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} ^и ^фон ^глин ^час ^я ^Дж ^k ^л ^м Degarmo , p. 464

[Todd,_Robert_H._1994-19] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} ^и ^фон ^глин ^час ^я ^Дж Тодд, Роберт Х., Аллен, Dell K., Alting, LEO1994 Процессы производственных процессов Справочное руководство , Industrial Press Inc., Нью -Йорк, ISBN 0-8311-3049-0

[20] Vreeland, T.; Касирадж, П.; Аренс, Томас Дж.; Schwarz, RB (1983). «Шоковая консолидация порошков - теория и эксперимент» (PDF) . Миссис Труды . 28 doi : 10.1557/proc-28-139 .

[21] Мейерс, Массачусетс; Ван, С.Л. (1988). «Улучшенный метод консолидации порошков» (PDF) . Acta Metallurgica . 36 (4): 925–936. doi : 10.1016/0001-6160 (88) 90147-2 .

[22] Вассилиу, Мариус; Rhodes, CG; Митчелл, мистер; Грейвс, JA (1989). «Метастабильная микроструктура в динамически консолидированном γ -титановом алюминиде». Scripta Metallurgica . 23 (10): 1791–1794. doi : 10.1016/0036-9748 (89) 90362-1 .

[23] Pickpm.com: информационный ресурс Порошковой металлургии архив 2016-07-12 на машине Wayback

[:1-24] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в Упадхьяя, GS (1996). Порошковая металлургия технологии . Кембриджская международная научная публикация.

[Orru-25] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в Орру, Роберто (2009-02-12). «Материаловая и инженерия: r: Отчеты: консолидация/синтез материалов с помощью электрического тока активированного/вспомогательного спекания». Материаловая и инженерия: R: Отчеты . 63 (4–6): 127–287. doi : 10.1016/j.mser.2008.09.003 .

[:5-26] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} Yurlova, MS (2014). «Журнал материаловедения, консолидация пульса: альтернатива зажиганию плазменного спекания». Журнал материаловедения . 49 (3): 952–985. doi : 10.1007/s10853-013-7805-8 . S2CID 137613369 .

[28] Degarmo , p. 406

[29] Degarmo , p. 407

[30] Киплинг, доктор медицинских наук (июль 1976 г.). «Опасность для здоровья и металлургия порошка» . Профессиональная медицина . 26 (3): 81–84. doi : 10.1093/occmed/26.3.81 . PMID 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 ]