Современные процессы порошковой металлургии


Волкогон Г. М., Еремеева Ж. В., Дедовской Д. А.






                СОВРЕМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ




Учебное пособие
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 621.762
ББК 34.39
    В67












    Волкогон, Г. М.
В67      Современные процессы порошковой металлургии : учебное пособие /
    Г. М. Волкогон, Ж. В. Еремеева, Д. А. Дедовской. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 208 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0509-6

    Представлены современные технологические процессы получения порошковых материалов и изделий из них на основе порошков железа. Описаны свойства использованных распыленных порошков и способы введения малых количеств добавок наноразмерного состояния при традиционном производстве спеченных и высокопрочных порошковых материалов. Уделено внимание совмещению этапов производства порошковых изделий с термической обработкой с целью повышения эксплуатационных характеристик изделий из порошков. Приведены области использования спеченных и высокопрочных пористых изделий.
    Для инженерно-технических работников промышленного производства порошковых изделий, а также студентов технических вузов.

УДК 621.762
                                                         ББК 34.39







ISBN 978-5-9729-0509-6

© Волкогон Г. М., Еремеева Ж. В., Дедовской Д. А., 2020
       © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

            Оглавление



Предисловие..................................................5
Введение.....................................................7
Глава 1. ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА..............11
  1.1. Распыленные железные порошки.........................11
  1.2. Основные производители распыленных железных порошков.13
  1.3. Оценка свойств и структуры материалов на основе распыленных и восстановленных порошков железа.........................18
  1.4. Легирующие элементы порошковых материалов............29
  1.5. Порошковые легированные стали........................35
Глава 2. ПОДГОТОВКА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ
К ФОРМОВАНИЮ................................................53
  2.1. Основные операции подготовки.........................53
Глава 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРЕСС-ФОРМ ДЛЯ ХОЛОДНОГО ФОРМОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ...........................56
  3.1. Конструктивные элементы порошковых изделий...........56
  3.2. Перспектива прогнозирования свойств порошковых материалов.59
  3.3. Основные стадии проектирования пресс-форм............64
Глава 4. КОНСТРУКЦИОННЫЕ ПОРОШКОВЫЕ ИЗДЕЛИЯ.................82
  4.1. Спеченные конструкционные изделия на основе порошков железа ... 82
  4.2. Методы формования металлических порошков.............87
  4.3. Зависимость плотности прессовки от давления прессования...90
  4.4. Схемы прессования металлических порошков в жестких пресс-формах...................................................96
  4.5. Основные направления производства спечённых порошковых изделий........................................................100
Глава 5. СПЕКАНИЕ..........................................106
  5.1. Традиционные методы спекания........................109
  5.2. Современные технологии спекания.....................114
Глава 6. ОБРАБОТКА ПОРОШКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ......................118
  6.1. Термическая обработка порошковых сталей.............118
  6.2. Высокопроизводительные технологии ТО................131

3

Глава 7. ГОРЯЧАЯ ШТАМПОВКА ПОРИСТОЙ ПОРОШКОВОЙ ФОРМОВКИ (ГШППФ)........................................135
  7.1. Характеристика технологии ГШППФ..................135
  7.2. Формование пористых заготовок....................139
  7.3. Результаты исследования основных параметров технологии горячей штамповки.....................................145
  7.4. Последующие операции после горячей штамповки.....154
  7.5. Возможности технологии горячей штамповки.........158
  7.6. Оценка работоспособности горячештампованного материала.162
  7.7. Промышленная технология горячей штамповки........163
  7.8. Механические свойства горячештампованного металла на основе железа при повышенных температурах..........172
Глава 8. ХОЛОДНАЯ ШТАМПОВКА ПОРОШКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СПЕЧЁННЫХ ЗАГОТОВОК..................................176
Глава 9. ПОРОШКОВАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ - ОСНОВА РАЗВИТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ...........................186
Список литературы.......................................198

4

            Предисловие



      Крупнейшие научно-технические проекты нашего времени непосредственно связаны с успехом в области разработки новых материалов. Ключевые материалы всегда играли основную роль в истории цивилизации, определяя не только уровень развития производительных сил, а и социальный прогресс в обществе.
      Речь идет о материалах конструкционного назначения и изготавливаемых из них изделиях, которые находят широкое применение в различных отраслях промышленности: машино- и приборостроении, создании сельскохозяйственных машин и техники оборонного назначения, судо- и самолетостроении, на железнодорожном транспорте, в космической технике и других отраслях народного хозяйства. К указанным изделиям предъявляются следующие требования: безотказная работа в конкретных условиях в течение определенного времени эксплуатации.
      Среди современных материалов все большее внимание привлекают порошковые конструкционные изделия, которым посвящена настоящая работа применительно к порошковой металлургии. Среди таких производственных процессов получения продукции машиностроения как литье, штамповка (с последующей механической обработкой), механической обработки из проката и других, порошковая металлургия обладает потенциальными возможностями, как с точки зрения создания новых материалов с уникальными свойствами, так и с точки зрения технологических преимуществ.
      Методами порошковой металлургии возможно производство более точных изделий по форме и размерам с обеспечением высокого качества их поверхности, благодаря структурным особенностям изделия порошковой металлургии более термостойки, лучше переносят воздействия циклических колебаний температур и напряжений, что очень важно для материалов, особенно, новой техники.
      По сравнению с традиционными способами производства изделий необходимо указать и другие преимущества метода порошковой металлургии. При традиционных металлургических переделах расход металла на 1 т годного проката составляет 1250 кг, таким образом 25 % металла не поступает в машиностроительные отрасли. В машиностроении коэффициент использования материала составляет 0,4-0,5. Для производства 1 т изделий фактически использу

5

ется до 2 т проката, а металлургам необходимо для этого изготовлять 2,5 т стали.
     Технология порошковой металлургии позволяет практически исключить из производства металлов обычные многостадийные металлургические процессы и механическую обработку заготовок. Объединение металлургического и машиностроительного производств в единую технологию порошковой металлургии позволяет получать исходные металлические порошки из руд или отходов металлургического производства с последующим изготовлением порошковых изделий методами порошковой металлургии. Статистические данные свидетельствуют о том, что перевод 1 т изделий из железа и стали на изготовление методом порошковой металлургии, обеспечивает машиностроению 2 т проката, а с учетом металлургического передела и разности в плотности, экономия металла составляет 2,9 т.
     Таким образом, технология порошковой металлургии является высокоэффективным процессом, характеризуется большой экономией дорогостоящих металлов, повышением ресурса работы изделий, снижением не менее в 10-12 раз технологических операций, повышением производительности труда в 2 раза, снижением энергетических и капитальных затрат, открывает возможности реализации глубокой автоматизации и механизации технологических процессов.
     Высокий уровень исследований в области изучения процессов структуро-образования порошковых материалов позволяет в настоящее время перейти от эмпирического поиска к целевому научно обоснованному созданию большой номенклатуры порошковых материалов, особенно конструкционных, и изделий из них, которые нашли широкое применение в машино- и приборостроении, и других отраслях промышленности, определяя во многом научно-технический прогресс в народном хозяйстве.
     Термины и определения понятий в области порошковой металлургии даны в соответствии с ГОСТ 17359-82 «Порошковая металлургия. Термины и определения», введенным с 01.07.1983 г. взамен ГОСТ 17359-71.

6

            Введение


     Основная цель раздела ознакомить читателя с основными вопросами, изложенными в книге, некоторыми наиболее перспективными направлениями развития порошковой металлургии (ПМ), способствующими созданию порошковых материалов и изделий из них с высокими служебными свойствами. В качестве примеров, особенно в последнее время, необходимо отметить следующее: прогресс производства спеченных изделий традиционными способами ПМ с повышенным комплексом физико-механических свойств; освоение новых процессов формования особо сложных изделий по технологии лазерного селективного послойного спекания; непрерывное совершенствование высокоэнергетических процессов производства порошковых изделий конструкционного назначения (горячая штамповка, холодное выдавливание, способы немонотонного деформирования и др.) с использованием методов термомеханической обработки; производство нового класса нанопорошков и их консолидация и др. Такие достижения ПМ стали возможны благодаря ее тесной взаимосвязи и взаимовлиянию с техническими и естественными науками. Постоянная разработка новых материалов способствовала привлечению в ПМ новых научных методов и идей. Таким образом, ПМ как в области техники присущ межотраслевой характер, а в науке она граничит с новейшими научными направлениями, что положительно влияет на развитие процессов производства ПМ, существенно повышает уровень научно-исследовательских работ и публикационную активность. В России в период активного подъема производств с участием крупных специалистов впервые в мировой практике осуществлено издание весьма обширного справочника по ПМ [1], а также весьма полезной книги, отражающей неразрывную связь ПМ между настоящим и будущим [2].
     В настоящее время появляется информация, где обосновывается, что только ПМ является наиболее перспективной технологией, например, для достижения стратегических целей в космической области [3]. Это вполне объяснимо, так как реализация уникальных свойств нанопорошков, особенно в производстве высокопрочных порошковых материалов и изделий из них, осуществима только путем использования методов ПМ.
     В первых двух главах показаны преимущества распыленных порошков на основе железа по сравнению с восстановленными, которые обладают однородностью частиц, чистотой, высокой уплотняемостью и прочностью прессовки, морфологическими особенностями частиц, повышенными физико-механическими свойствами и т. д. Использованием предварительно легированных по

7

рошков, полученных распылением водой, достигается главное требование при горячей штамповке - структурная однородность порошковых изделий.
      Описаны легирующие элементы, используемые в ПМ, однако, как показала практика, одним из наиболее перспективных методов легирования является применение предварительно изготовленных частично-легированных порошков железа, особенно для производства спеченных изделий, изготовляемых традиционными методами ПМ. Высокие свойства порошковых сталей получены при модифицировании добавками нанопорошков, фуллеренов, нанооксидов и нанонитридов металлов и др. нанопорошками. Помимо повышения прочности отмечается существенное ускорение процессов спекания, гомогенизации материалов и способствует получению практически полной химической однородности порошковых материалов.
      На операции смешивания шихты рекомендуется использование вибрационных смесителей тороидального типа СмВ, и после смешивания шихту подвергать усреднению.
      Длительное время в ПМ не существовала систематизации методов получения порошковых изделий, в зависимости от их эксплуатационных характеристик, принципов проектирования пористых заготовок и высокоплотных изделий, требований к выбору конструктивных элементов изделия.
      Сведения о разработанном российскими специалистами межгосударственного стандарта ГОСТ 29278-92 приведены в главе 3.
      В указанном стандарте изложены основные требования к порошковым изделиям, получаемых наиболее распространенными методами прессования при обычных температурах и методами холодной и горячей штамповки заготовок. Стандарт - весьма полезный документ для перевода пригодных изделий на изготовление методами ПМ.
      При разработке порошковой технологии получения новых изделий необходимо для каждого изделия учитывать особенности конфигурации, размеры и требования к материалу изделия, которые очень многообразны и зачастую противоречивы. Требуется более тесное взаимодействие технолога-специалиста по порошковым материалам со специалистами по материаловедению при формовании заготовок и изделий, необходимо привлекать компетенции технолога-штамповщика.
      В этом случае будет обеспечен учет технологических, материальных, экономических и экологических вопросов, необходимых для составления технологической схемы производства изделия.

8

     Четвёртая глава посвящена спеченным конструкционным изделиям, описаны прогрессивные схемы прессования изделий и основные направления, обеспечивающие увеличение производства порошковых изделий. Отмечается, что реализация операции формования особо сложных изделий посредством технологии лазерного селективного послойного сплавления металлических порошков является наиболее гибкой и прогрессивной.
     В пятой главе охарактеризованы основные параметры технологии спекания и их роль при процессе спекания, а также основные этапы твердофазного спекания порошковых изделий конструкционного назначения на основе железных порошков.
     В шестой главе обобщены результаты многочисленных исследований по использованию различных видов термообработки порошковых изделий, особенно конструкционного назначения на железной основе. Изменение физикомеханических свойств порошковых изделий достигается за счёт участия любого вида термической обработки в формировании структуры в процессе формообразования порошкового изделия. Специфика формирования порошковой структуры отличается от компактного материала, что приводит, в зависимости от вида термообработки, к изменению размеров и плотности изделий, зависящих не только от качества выполнения операции термической обработки, но и других одновременно действующих факторов, которые также необходимо учитывать. Например, для легированной стали необходимо связывать оптимизацию закаливаемости по углероду с концентрацией других легирующих элементов, а также с условиями спекания изделия. Достижимый максимум свойств зависит в основном от количества углерода в аустените. Влияние других элементов усиливается только лишь в меру существенного изменения ими положения точки мартенситного превращения и количества остаточного аустенита.
     Таким образом, при производстве порошковых изделий конструкционного назначения с использованием методов термообработки необходимо корректировать параметры термической обработки для каждого нового состава порошковых сталей с целью получения точных по геометрическим параметрам и плотности порошковых изделий.
     Седьмая глава посвящена технологии горячей штамповки пористых порошковых заготовок. Эта технология позволяет производить плотные порошковые изделия с высоким комплексом механических характеристик конструкционных сталей и высокой эксплуатационной надёжностью. Подробно описаны процессы формования исходных заготовок и готовых сложных по форме изделий.

9

     Результаты выполненных исследовательских работ и практика производства технологических процессов методом горячей штамповки изделий сложной формы показали, что помимо формы холоднопрессовой заготовки существенное значение имеют распределения плотности и массы порошкового материала между ее элементами.
     Указанные три фактора предопределяют схему деформирования при горячей штамповке. С учетом полученных данных разработана схема вариантов процесса деформирования на окончательной стадии ГШ.
     Отмечается весьма существенное повышение механических свойств горячештампованных сталей, их свойства достигают уровня свойств кованных.
     Исследования порошковых материалов, полученных на основе железных отечественных порошков, легированных нанодобавками углерода и хрома по технологии ГШ с использованием различных методов термообработки, показали предел прочности ов = 1670 МПа, 5 = 6,5 %, HRB = 100.
     Представлены сведения об исследованных свойствах горячештампованного материала, практически отсутствующие в публикациях.
     В восьмой главе представлены результаты исследования по холодному выдавливанию высоких порошковых изделий (H/D > 3) с активными силами трения, способствующие повышению плотности и снижению ее неравномерности по высоте изделия и снижению удельного деформирующего усилия.
     В девятой главе кратко изложен путь развития порошковой металлургии, зародившейся в глубокой древности. Благодаря использованию опыта и методов дисциплин развивающихся научных направлений, в настоящее время она сформировалась, как учение о порошковых материалах (особенно, конструкционного характера), а также определились основы нанотехнологических процессов. Существенно выросло количество информации в различных источниках. Однако, по мнению авторов настоящей книги, в публикациях уделяется недостаточно внимания новым возможностям ПМ, в особенности к вызовам грядущей нанотехнологической революции. Указанные вопросы являются очень важными и требуют особого решения.

10

Глава 1.


            ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА


        1.1. Распылённые железные порошки

     Начало XXI века характеризуется ускоренным научно-техническим прогрессом в области разработки и внедрения новых материалов. Реализация крупных технических достижений в настоящее время и обозримом будущем зависит от решения указанной проблемы. Среди производственных процессов, обладающих наибольшими потенциальными возможностями, как с точки зрения создания новых материалов, так и с точки зрения технологических и экономических преимуществ является порошковая металлургия (ПМ).
     В последнее время по этому направлению отмечаются активные исследования, направленные на решение основной задачи - повышение физикомеханических свойств и эксплуатационных характеристик порошковых материалов для изготовления из них конструкционных изделий машиностроительного назначения. К указанным материалам предъявляется основное требование - высокая прочность и пластичность, обеспечивающая несущую способность изделий в процессе эксплуатации.
     Наибольшее распространение получили конструкционные материалы на железной основе. Свойства углеродистых порошковых сталей изменяются в очень широком диапазоне, в зависимости от состава, в частности от содержания углерода, исходного сырья и технологического процесса изготовления изделий.
     В последнее время активно разрабатываются также порошковые материалы на основе алюминия, титана и кремния.
     Роль указанных элементов в современной технике общеизвестна.
     Этому способствуют специфические свойства этих элементов, разнообразный уровень их свойств, пониженная плотность и большая распространенность в земной коре.
     Бурное развитие электроники, вычислительной техники, мобильной связи, термоядерной энергетики, космонавтики, высокотемпературных газовых турбин, ракетных двигателей и т. д. выдвинуло в разряд первостепенных актуальных задач создание материалов с заранее заданными свойствами.


11

     Это, так называемые, функциональные материалы, которые должны обладать прочностью при эксплуатации, не теряя специфических характеристик.
     Решение этой проблемы существенно зависит от качества исходного материала - металлических порошков из которых изготавливаются изделия.
     Порошки железа и сплавов на его основе составляют более восьмидесяти процентов мирового производства порошков. Во всем мире наблюдается устойчивый рост производства металлических порошков железа, по тоннажу, который по прогнозам ведущих специалистов промышленно развитых стран сохранится в ближайшие десятилетия. По разным оценкам современное производство железных и легированных порошков составляет один миллион тонн в год, в том числе, восстановленных от трехсот пятидесяти до четырехсот тысяч тонн в год, а распыленных железных и легированных порошков примерно шестьсот тысяч тонн в год, при среднегодовом росте шесть - семь процентов.
     С целью получения более качественных порошков по чистоте, дисперсности, морфологическим характеристикам и технологическим свойствам, разрабатываются различные способы их получения.
     Изготовление металлических порошков на основе железа и его сплавов подробно описано в публикациях [4-8]. В настоящее время, промышленное производство порошков железа и его сплавов осуществляется следующими методами: восстановления, распыления, электролиза водных растворов и расплавов, термической диссоциацией карбонильных соединений.
     Изготовление порошков распылением и особенно водой высокого давления, лидирует по сравнению с восстановлением твердых или расплавленных химических соединений. По сравнению с восстановлением, метод диспергирования жидкого расплава позволяет осуществлять свободный выбор сплава для получения конечного продукта. Важным моментом является получение однородного состава частиц порошка, что устраняет макросегрегацию и обеспечивает более равномерное распределение компонентов. Это достигается за счет ликвидации наследственности структуры частиц от исходного материала и последующей кристаллизацией в среде инертного газа с весьма высокой скоростью охлаждения до 10⁵- 10⁶ и более °С/с.
     Распыление позволяет получение порошка с требуемыми морфологическими параметрами за счёт возможности контроля формы, размера и структуры частиц. Следующим преимуществом способа распыления является более высокая чистота порошка.

12