Loading AI tools
З Вікіпедії, вільної енциклопедії
Порошко́ва металургі́я — галузь науки і техніки, яка охоплює виробництво металевих порошків, а також виробів з них, або їхніх сумішей з неметалевими порошками. Важливими відмінними рисами даної галузі є одержання речовин у порошкоподібному стані та проведення операції нагрівання (спікання) заготовок із порошків при температурі нижче точки плавлення відповідного металу, або у випадку суміші різнорідних порошків, нижче температури плавлення найменш тугоплавкого компонента основи. Отже, послідовне здійснення в єдиному циклі операцій одержання порошку і перетворення його у виріб становить суть порошкової металургії.
Серед наявних різноманітних способів обробки металів порошкова металургія займає своє особливе місце, тому що дозволяє не тільки робити вироби різних форм і призначень, але і створювати принципово нові матеріали, одержати які іншими шляхом украй важко або взагалі неможливо. Порошкова металургія успішно конкурує з литтям, обробкою тиском, різанням та іншими методами, доповнюючи або заміняючи їх.
Заслуга виділення специфічних прийомів обробки металів та об'єднання їх в особливий технологічний метод — порошкову металургію — належить російському вченому Петру Григоровичу Соболевському (1782—1841), якому в роботі допомагав хімік Василь Васильович Любарский (1795—1854). У 1826—1827 році була розроблена технологія виготовлення виробів із платинового порошку (монети, тиглі та ін.), промисловий випуск яких випередив роботу англійця Волластана, який запропонував у 1828 році аналогічний спосіб одержання компактної платини. Першим металом порошкової металургії стала платина, оскільки на той час через високу температуру плавлення не можна було застосувати традиційне для обробки дорогоцінних металів лиття.
Розвиток техніки зробив можливим досягнення високих температур, що привело до освоєння виробництва платинових виробів литтям, у зв'язку із чим до середини XX століття про порошкову металургію знову забули і згадали лише через 50 років, коли бурхливий розвиток електротехніки став вимагати матеріалів (таких як дріт з тугоплавких металів, мідно-графітові щітки й т.п.), які не можна було виготовити звичайними, відомими в той час методами. Потім з'явилися різноманітні вироби з порошків: самозмащувальні вальниці, тверді сплави для обробки високоміцних нових матеріалів, магнітні матеріали тощо. Зараз важко назвати область сучасної техніки, де б не застосовувалися методи порошкової металургії для виготовлення виробів або самі порошкові вироби.
Освоєння технології різних порошків дало поштовх розвитку робіт в області виробництва з них матеріалів і виробів конструкційного призначення. Крім технологічних розробок були проведені великі дослідження в області створення наукових основ порошкового металознавства та порошкової металургії в цілому.
Типова технологічна схема виробництва заготовок і виробів методом порошкової металургії включає чотири основні операції:
Кожна з зазначених операцій вносить свій важливий внесок у формування всіх властивостей кінцевих порошкових виробів. Можливі відхилення від наведеної типової технологічної схеми можуть виражатися в поєднанні операцій формування і спікання при гарячому пресуванні, у спіканні вільно насипаного порошку (при відсутності формованої заготовки з порошку), у відсутності будь-якої обробки після спікання та ін.
Сукупність основних технологічних операцій дозволяє вирішувати за допомогою порошкової металургії два найважливіших завдання:
Виробництво порошку — перша технологічна операція методу порошкової металургії. Способи одержання порошків досить різноманітні, що дозволяє широко варіювати їхні властивості. Це, у свою чергу, уможливлює додання виробам з порошку необхідних фізичних, механічних та інших спеціальних властивостей. Крім того, метод виготовлення порошку значною мірою визначає його якість і собівартість.
Способи одержання порошків діляться на механічні та фізико-хімічні.
Механічні методи забезпечують перетворення вихідного матеріалу в порошок без помітної зміни його хімічного складу. Найчастіше використовують подрібнення твердих матеріалів у млинах різних конструкцій і диспергування розплавів.
До фізико-хімічних методів відносять технологічні процеси виробництва порошків, пов'язані з фізико-хімічними перетвореннями вихідної сировини (напр. механічне легування). У результаті одержуваний порошок за хімічним складом істотно відрізняється від вихідного матеріалу.
Основними механічними методам одержання порошків є:
Механічне здрібнювання компактних металів широко поширено в порошковій металургії. Здрібнювання може бути дробленням, розмелом, стиранням. Найдоцільніше застосовувати механічне здрібнювання при виробництві порошків крихких металів і сплавів, таких як Si, Be, Cr, Mn, сплави Al з Mg та ін. Розмелення в'язких пластичних металів (Zn, Al, Cu) ускладнений, тому що вони в основному розплющуються, а не руйнуються.
При здрібнюванні комбінують розчавлювання та удар (при одержанні великих часток) і стирання та удар (при тонкому здрібнюванні). При дробленні затрачувана енергія витрачається на пружну та пластичну деформацію, на теплоту та на утворення нових поверхонь. При дробленні під дією зовнішніх сил у найслабших місцях тіла утворюються тріщини, які починаються з поверхні. Руйнування спостерігається тоді, коли тріщини перетинають тверде тіло по всьому його перетині в одному або декількох напрямках. У момент руйнування напруги в тілі, що деформується, перевищують деяке граничне значення (межа міцності матеріалу).
Серед методів здрібнювання твердих матеріалів найбільше поширення отримали обробка металів різанням з утворенням дрібної стружки або обпилювань, здрібнювання металу в кульових, вихрових, молоткових та інших млинах, ультразвукове диспергування.
Формування — це процес отримання заготовки (виробу) заданої форми і розмірів у результаті ущільнення порошку. Перед формуванням порошок піддають термообробці (відпалу) з метою підвищення пластичності та покращення його здатності до пресування або прокатування. Найпоширенішим способом формування готових виробів є холодне та гаряче пресування, вальцювання та шлікерне лиття.
Вироби, отримані з порошків, мають малу міцність. Щоб надати їм більшої міцності та твердості, їх спікають. Спіканням називають відпалення виробів за температури, яка становить 0,7-0,8 температури плавлення основної складової шихти. Час спікання становить 1-2 години. Під час спікання у виробах відбуваються складні фізико-хімічні процеси (відновлення оксидів, дифузія, рекристалізація, зняття залишкових напружень), поліпшуються механічні властивості тощо.
Спікання — процес досить тривалий, який потребує великих затрат енергії. Щоб скоротити час спікання, використовують ультразвук, магнітне поле тощо. До хімічних чинників, які прискорюють процес спікання, належать окисно-відновні реакції. Важливу роль відіграє склад атмосфери, в якій проводять спікання. Атмосфера може бути захисною або відновною. У промисловості використовують атмосфери водню, дисоційованого аміаку. Ефективним є також вакуум. Однак використання вакууму підвищує собівартість виробів. Тому у вакуумі спікають лише вироби, виготовлені з порошків титану, танталу, ніобію, берилію.
Спікання проводять у печах різного типу, які працюють періодично та безперервно. Печі періодичної дії використовують у ході спікання невеликих партій порошкових виробів. У процесі масового виробництва виробів використовують методичні печі безперервної дії (конвеєрні, з рухомим череном тощо).
У разі потреби порошкові вироби піддають ще додатковій обробці. Остаточна обробка складається з таких операцій: калібрування, різання, термічної та хіміко-термічної обробки, повторного спікання тощо. У процесі калібрування уточнюють розміри виробів, ущільнюють і полірують їх поверхні тощо. Різання (точіння, свердління, фрезерування тощо) застосовують тоді, коли пресуванням не можна виготовити вироби потрібної форми та розмірів, для нарізання внутрішньої та зовнішньої різьби, отримання вузьких, але глибоких отворів тощо. У процесі різання користуються інструментами, виготовленими з надтвердих сплавів або алмазів. Термічну та хіміко-термічну обробку виробів проводять так само, як для металів і сплавів. Повторне пресування проводять тоді, коли під час першого пресування не можна отримати виріб складної форми.
В Україні методи порошкової металургії знайшли застосування в таких виробництвах:
Україна має для розвитку галузі значні запаси залізних і марганцевих руд, коксівного вугілля, флюсових та вогнетривких матеріалів, їх родовища дуже вдало поєднуються — переважно у Придніпров'ї та Донбасі.
Взагалі за обсягом виробництва продукції чорної металургії Україна тривалий час входила до числа провідних країн Європи і світу. Так, у 80-х рр. XX ст. тут щорічно видобувалося 120—125 млн т залізної руди, 7 млн т марганцевої руди, виплавлялося 55 млн т сталі. Зараз аналогічні показники значно скромніші — приблизно 55 млн т залізної руди, менше 3 млн т марганцевої руди, 32 млн т сталі (станом на 2000 рік). В останні роки постійно збільшується виробництво прокату, феросплавів, сталевих труб. Ці товари у значних обсягах експортуються за межі України; загалом продукція чорної металургії дає країні найбільше валютних надходжень від експорту.
Але в Україні поки що слабо розвиваються недоменні способи виробництва чорних металів, які є екологічно чистими, а саме електрометалургія і порошкова металургія. Що є негативною рисою, адже широке застосування технологій порошкової металургії в умовах масового виробництва сприятиме підвищенню ефективності народного господарства.
Завдяки структурним особливостям продукти порошкової металургії більш термостійкі, краще переносять дію циклічних коливань температури і напруги, а також ядерного опромінювання, що дуже важливе для матеріалів нової техніки.
Порошкова металургія має і недоліки, що гальмують її розвиток: порівняно висока вартість металевих порошків, необхідність спікання в захисній атмосфері, що також збільшує собівартість виробів порошкової металургії, неможливість виготовлення в деяких випадках виробів і заготовок великих розмірів, складність отримання металів і сплавів у компактному стані, необхідність застосування чистих початкових порошків для отримання чистих металів.
Недоліки порошкової металургії і деякі її переваги не можна розглядати як чинники постійної дії: в значній мірі вони залежать від стану і розвитку як самої порошкової металургії, так і інших галузей промисловості. У міру розвитку техніки порошкова металургія може витіснятися з одних областей і, навпаки, завойовувати інші. Розвиток дугового, електронно-променевого, плазмового зварювання і електроімпульсного нагріву дозволили отримувати недосяжні раніше температури, унаслідок чого питома вага порошкової металургії у виробництві дещо знизилася. Разом з тим прогрес техніки високих температур ліквідував такі недоліки порошкової металургії, як, наприклад, складність приготування порошків чистих металів і сплавів: метод розпорошення дає можливість з достатньою повнотою і ефективністю видалити в шлак домішки і забруднення, що містяться в металі до розплавлення. Завдяки створенню методів всебічного стискання порошків при високих температурах в основному подолані і труднощі виготовлення безпористих заготовок великих розмірів.
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
