1.Общая характеристика порошковой металлургии и свойства порошков.

История развития ПМ в России. Основным стимулом зарождения и развития ПМ до сих пор являлась потребность в новых материалах, невозможность их получения и обработки с помощью традиционных методов.
Основы современной ПМ были заложены П. Г. Соболевским в 1826-1827гг.в связи с необходимостью переработки порошка платины и отсутствием возможности его переплавки. В НГТУ на базе работ, проводимых с середины 60-х гг. была начата разработка нового направления в порошковой металлургии-горячей обработки давлением пористых порошковых заготовок, существенно расширившей возможности этой прогрессивной области науки и техники. Созданный в университете научный задел и материально-техническая база, наличие высококвалифицированных кадров, высокая эффективность выполненных работ и широкие перспективы дальнейшего развития послужили открытием в 1972г. в его составе проблемной научно-исследовательской лаборатории динамического горячего прессования, долгие годы являвшейся в стране ведущей координирующей организацией в области динамического горячего прессования.
Учитывая интенсивное развитие порошковой металлургии в Ростовской области и на Северном Кавказе, при кафедре материаловедения и технологии материалов была открыта специальность '' Композиционные и порошковые материалы, покрытия''. Кафедра явилась базовой при организации в НГТУ диссертационного совета.

Основные области применения ПМ. Порошковые материалы используются практически в любой области техники, и объем их применения непрерывно расширяется. Это связано как с возрастающей ролью, которую выполняют материалы вообще, так и со специфическими особенностями, присущими только порошковым материалам. Так, развитие электронной техники было бы невозможно без развития производства полупроводников, то же можно сказать в отношении космической техники, ядерной энергетики.

Спеченные антифрикционные материалы позволили повысить надежность и долговечность узлов трения, снизить потери на трение, заменить дорогостоящие подшипники качения, на подшипники скольжения или баббиты и брынзы на железографитовые псевдосплавы. Разработка материалов твердыми смазками сделала возможным их применение в устройствах, где использование жидких смазок вообще не допустимо, например в пищевой промышленности, при высоких температурах.

Пористые порошковые материалы широко используются в узлах трения, фильтрах, тепловых трубах, уплотнениях.
Фрикционные порошковые материалы являются, по существу, композиционными и состоят из металлических и неметаллических компонентов. Они имеют наиболее высокие фрикционные свойства и широко применяются.
Электротехнические материалы – контакты, магнитомягкие и магнитотвердые материалы, инструменты для электроэрозионной обработки, точечной и роликовой сварки – находят все более широкое применение в электротехнике, энерго – и аппаратостроении, автоматике и телемеханике, радиоэлектронике и других отраслях.
Порошковые конструкционные материалы являются наиболее распространенной продукцией ПМ. Потребность в них составляет около 60% суммарной потребности в продукции ПМ.
Жаропрочные, жаростойкие и композиционные материалы определяют развитие отраслей современной техники, где без обеспечения специальных свойств невозможна эксплуатация машин и агрегатов: авиационной, ракетной техники, космонавтики, химического машиностроения. Для их нужд были созданы тугоплавкие металлы и сплавы, тугоплавкие соединения, получаемые в большинстве случаев только методами ПМ.

Тугоплавкие и твердые бескислородные соединения и материалы на их основе-карбиды, бориды, нитриды, силициды и другие - находят применение благодаря своим уникальным свойствам во многих отраслях промышленности, например инструментальной.

Твердые сплавы - важнейшие широко распространенные порошковые материалы, при получении которых в полной мере реализуются возможности ПМ : получение композиционных материалов из компонентов с резко различной температурой плавления, достижение уникального комплекса физико – механических свойств, безотходная технология. Применяются твердые сплавы в инструментальной промышленности, буровой технике, при обработке давлением.

Материалы для современной атомной энергетике должны выдерживать экстримальные механические и термические нагрузки с одновременным воздействием физических факторов, они используются в качестве поглощающих и замедляющих элементов, а так же топлива. Определенную их часть составляют порошковые материалы.

Эрозионностойкие материалы должны сочетать разнообразные и необычные свойства изделий и обеспечивать их работоспособность в очень тяжелых условиях эксплуатации. Примером могут служить турбины, где наиболее напряженной деталью является сопловой вкладыш, рабочая температура на поверхности составляет 3500-3600°С.

. С увеличением связности частиц увеличиваются затраты на формирование изделий, но уменьшается вероятность взаимодействий материала с внешней средой и затраты на его защиту. Порошок, являющийся исходным материалом для
ПМ, в этом отношении занимает промежуточное положение между жидкостью твердым телом , обладая савокупностью частиц текучестью, а в объеме каждой частицы – деформируемостью.
Металлическим порошком - называется совокупность частиц металла, сплава или металлоподобного соединения размерами до миллиметра, находящихся в контакте и не связанных между собой. Лигатурами - называются вспомогательные сплавы, применяемые для жидкотекучести . Частица представляет собой индивидуальное тело с небольшими размерами во всех трех измерениях. В большинстве случаев размеры частиц, используемых в ПМ, составляют 10-100 мкм. В связи с этим они имеют развитую поверхность, во многом определяющую их поведении при дальнейшей обработки и отличающую ее от обычных материалов даже идентичного состава. Второй главной особенностью частицы является значительно большее содержание (относительное) в ней объемных дефектов – пор и включений.

Физика и химия поверхности порошков. Поверхность твердого тела является зоной, где межатомные связи не скомпенсированы. Сорбция – поглощение вещества из окружающей среды твердыми или жидкими телами.
Поглотитель называют сорбентом, поглощаемое вещество – сорбатом. Абсорбция
– поглощение сорбата всем объемом сорбента. Адсорбцыя – поглощение сорбата поверхностью сорбента. Хемосорбцыя – поглощение сорбента с образованием химических соединений, сопровождающееся тепловым эффектом. Состояние поверхности раздела между фазами А и В или даже между частицами одной фазы можно охарактеризовать поверхностным натяжением. ПАВ – это вещества, способные адсорбироваться на поверхностях раздела фаз и понижать величины.
Поверхностное натяжение характеризует работу перехода атомов из внутренней части материала на поверхность при образовании единицы новой поверхности.
Поверхностная энергия-избыток энергии поверхностного слоя на границе двух соприкасающихся фаз, определяемый различным характером межчастичного взаимодействия в обеих фазах. При высокой температуре и повышенной диффузионной подвижности атомов площадь поверхности может сохраниться, но если ее геометрическая форма была неправильна или нарушена, то она изменяется. Увеличение поверхности раздела при измельчении частиц связано с энергетическими затратами, а ее уменьшение энергетически целесообразно и может являться стимулом для протекания определенных процессов, например при спекании или при температурном нагреве.

Микроструктура поверхности. Идеализированные поверхности можно разделить на три типа: сингулярные, вицинальные и диффузионные. Сингулярные поверхности раздела фаз отличаются от диффузионных количеством атомных молекулярных слоев, параллельных поверхности кристалла, в которых осуществляется переход от кристалла к пару. Реальные поверхности содержат так называемые поверхностные дефекты, то есть такие нарушения в идеальном расположении атомов, которые имеют большую протяженность в двух направлениях и незначительную - в третьем.

Объемные дефекты частиц порошков. Наряду с точечными линейными и поверхностными, присуще структуре литых металлов. Они имеют размеры одного порядка в трех измерениях и несколько порядков превышают размеры точечных дефектов. К этому виду дефектов литых металлов относятся субмикропоры, являющиеся результатом изотропного роста скоплений вакансий, субмикропузыри, сегрегации и так далее. С уменьшением размеров тел (частиц) влияние этих факторов возрастает, одновременно увеличивается интенсивность взаимодействия с окружающей средой, приводящая к повышению газонасыщенности и окисленности металла. Все это вызывает увеличение количества объемных дефектов в порошковых частицах по сравнению с литыми и обработанными давлением металлами. Неметаллические включения- это преимущественно оксиды основного (железа) и примесных элементов.Поры в исходных частицах могут быть только внутренние, они мелкие, возникают при получении порошка за счет усадки, газообразования, механического воздействия(трещины) и др.

Химические свойства порошков. К химическим свойствам металлических порошков относятся их химический состав, газонасыщенность, пирофорность, токсичность, взрывоопасность. Химический состав оценивают содержанием основных компонентов, примесей или загрязнений и газов. Зависит он от состава исходных материалов и метода получения порошков. Предельное содержание примесей в порошках определяется их допустимым количеством в готовой продукции. Химический анализ по методикам, принятым для общего анализа металлов. Исключением является лишь определение содержания кислорода. Газонасыщенность- характерная особенность порошков. Содержатся газы на поверхности частиц (адсорбированные) и внутри их, попадая в процессе изготовления и при разложении добавок.Ухудшаются условия прессования (хрупкость) и спекания (коробления).

Физические свойства. К физическим свойствам порошков относятся: форма частиц, их размер, удельная поверхность, плотность, микротвердость.
Фракция это совокупность частиц в определенном диапазоне размеров.
Гранулометрический состав- содержание фракций частиц (%) по отношению к общему количеству. Гранулометрический состав определяют ситовым, седиментационным, микроскопическим и другими методами. Ситовый анализ проводят механическим разделением навески порошка 100г при насыпной плотности более 1,5 г/смі и 50г при меньшем значении через требуемый набор сит, располагаемых одно над другим. Порошок перед рассевом просушивают.
Частицы имеют неправильную геометрическую форму, их взаимоориентировка случайна, поэтому размер для расчета определяют в одном каким- либо направлении, независимо от их расположения. Удельная поверхность представляет собой суммарную поверхность всех частиц, составляющих единицу их массы или объема. Плотность частицы порошка-отношение ее массы к занимаемому объему. Микротвердость позволяет косвенно оценить способность частиц порошка к деформированию, что нельзя сделать, как для обычных материалов, по механическим свойствам, поскольку последние не определяются для дискретных тел.

Адсорбционные методы делятся на статические и динамические. Во первых измерения производят по достижении равновесия газ - твердое тело, во
- вторых при непрерывном течении газа. Метод ртутной порометрии обычно используется для измерения
Ѕw когда ртуть не смачивает исследуемый порошок. Сущность метода заключается во вдавливании ртути в поры при определенном давлении,

Технологические свойства. Это угол естественного откоса, насыпную плотность, плотность утряски, текучесть, уплотняемость, прессуемость и формируемость. Формируемость порошка в основном зависит от формы, размера и состояния поверхности частиц. Аутогезия зависит от природы частиц, их размеров, состояния поверхности, параметров среды, в которой они находятся.
Угол естественного откоса ? образуется поверхностью конуса свободно насыпанного порошка и горизонтальной плоскостью в его основании. Таким образом, угол естественного откоса ? является также и углом трения.
Насыпной объем – величина, обратная насыпной плотности. Плотность утряски
?утр - это отношение порошка к объему после утряски его по определенной программе. Текучесть порошка, то есть его способность перемещаться под действием силы тяжести, оценивается временем истечения ( ?‚с ) навески 50г через калиброванное отверстие диаметром 2,5 мм. Уплотняемость порошков показывает их способность к уменьшению занимаемого объема под воздействием давления или вибрации. Прессуемость порошка оценивают его способностью образовывать под давлением тело, имеющее заданные размеры, форму и плотность. Формуемость порошка оценивают его способностью сохранять приданную форму в заданном интервале значений пористости. Формуемость порошка в основном зависит от формы, размера и состояния поверхности частиц. Эффекты, возникающие при действии периодических сил на дисперсную среду, можно объединить в следующие группы:

1. Изменение поведения нелинейных механических систем: появление новых положений равновесия и видов движения, смена характера положений равновесия, изменение собственных частот малых колебаний.
2. Эффекты перемещения и увода: сепарация частиц материла по свойствам, возникновение медленных потоков дисперсных сред, дрейф и локализация частиц в неоднородных полях периодических сил и взаимные микросмещения.
3. Изменение под действием периодических сил реологических свойств дисперсных систем: кажущиеся превращения сухого трения в вязкое, снижение коэффициента сухого трения, кажущиеся изменения коэффициента вязкости и многие другие.
4. Возникновение интенсивного механического взаимодействия между частицами и объемами многокомпонентных систем: разрыхление дисперсной среды.

2.Метод получения порошков.

Общая характеристика методов получения порошков и их классификация.
Порошки- исходное сырье ПМ- не являются в большинстве случаев материалами, встречающимися в природе в свободном состоянии, а представляют собой вторичный продукт, на свойства которого влияет способ изготовления, поэтому теоретические основы их получения занимают важное место в процессах ПМ.

Физические основы измельчения материалов. Механическим измельчением можно превратить в порошок практически любой металл или сплав. Оно широко используется в ПМ. Под измельчением понимают уменьшение начального размера твердого тела путем разрушения его под действием внешних усилий, преодолевающих внутренние силы сцепления. В момент разрушения напряжения в деформируемом теле превышает некоторое предельное значение. Согласно теории дробления, предложенной П.А.Ребиндером, работа ?изм , затрачиваемая на измельчение: в общем случае яляется суммой двух энергий: энергии, затрачиваемой на образование новых поверхностей dWs и энергии, расходуемой на деформацию объема dW? .
При крупном дроблении величина вновь образующейся поверхности невелика.

Практика измельчения, обработка резанием. Специальное получение стружки или опилок для последующего изготовления из них изделий невыгодно и поэтому на практике его применяют крайне редко. Резание металла – сложный процесс взаимодействия режущего инструмента и заготовки, сопровождающийся рядом физических явлений. В срезаемом слое возникают вначале упругие, затем пластические деформации, приводящие к сдвигу и разрушению, то есть скалыванию элементарного объема металла под углом ? к направлению подачи и образованию стружки. Тип стружки зависит от свойств обрабатываемого материала. При обработке хрупких металлов образуется элементная стружка
(надлома). На тип стружки влияет подача и скорость резания. При резании большинства углеродистых и легированных сталей по мере увеличения скорости резания стружка из элементной становится суставной затем сливной.
Непосредственно после изготовления деталей может быть использована только стружка надлома. Известны примеры такого использования чугунной стружки.
Специально для нужд ПМ получают стружку химически активных металлов.
Получение магниевого порошка на кратцмашинах царапанием компактного магния стальными щетками.

Измельчение в шаровых вращающихся, вибрационных и планетарных мельницах. Измельчение в шаровых вращающихся мельницах может быть самостоятельным способом превращения материала в порошок или дополнительной операцией при других способах получения порошков. В шаровой мельнице материал истирается между внутренней поверхностью барабана и внешней – шарового сегмента, между шарами или дробится ударами. Измельчение в шаровых вибрационных мельницах обеспечивает быстрое и тонкое измельчение таких материалов, как карбиды титана, вольфрама, кремния, хрома, бора, ванадия.
Измельчение в вихревых мельницах применяется для пластичных металлов. Оно происходит за счет ударных и истирающих усилий, возникающих при соударении непосредственно измельчаемых частиц. Струйные мельницы отличаются тем, что энергоносителем в них является газ или перегретый пар поступающий из сопел со сверхзвуковой скоростью. Мельницы обеспечивают тонкое измельчение частиц до размеров 1-5 мкм. Измельчение в планетарных центробежных мельницах (ПЦМ) обеспечивает тонкое измельчение трудноразмалываемых материалов эффективнее, чем в мельницах других типов. В гироскопических мельницах барабан вращается одновременно вокруг горизонтальной и вертикальной осей, движение шаров осуществляется аналогично ПЦМ.

Измельчение ультразвуком. Измельчение ультразвуком производят в среде, где распространяются упругие волны, образующиеся при периодическом чередовании сжатия и разрежения этой среды с частотой свыше 16000 Гц В жидкой среде возникает кавитация, то есть разрывы из- за действия на жидкость растягивающих усилий. Диспергирование ведут в воде, спирте, ацетоне. Генерирование ультразвуковых колебаний производится с использованием магнитострикции и обратного пьезокварцевого эффекта.

Диспергирование расплавов. Эти методы квалифицируются по трем признакам.
? вид энергии, используемой для создания расплава: электрическая дуга, плазма, лазерный, индукционный нагрев.
? вид силового воздействия на расплав: гравитация, энергия газовых и водяных струй, центробежные силы, энергия газов и паров, выделяющихся из расплава, механическое, магнитогидродинамическое, ультразвуковое.
? среда реализации процесса плавления и диспергирования: окислительная, восстановительная, инертная, реакционная заданного состава, вакуум и другая.