Технология порошковых материалов и изделий

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 32 

Кафедра порошковой металлургии и функциональных покрытий

В.К. Нарва 
 
 

Технология порошковых
материалов и изделий 

 

Курс лекций 

Допущено учебно-методическим объединением  
по образованию в области металлургии в качестве  
учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению Металлургия 

Москва  2012 

УДК 621.762 
 
Н28 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, доц. В.С. Челноков 

Нарва, В.К. 
Н28  
Технология порошковых материалов и изделий : курс лекций / В.К. Нарва. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2012. – 171 с. 
ISBN 978-5-87623-559-6 

Рассмотрены вопросы формирования структуры и свойств порошковых 
материалов с особыми свойствами: пористых, антифрикционных, фрикционных, электротехнических. Описаны применяемые технологические схемы 
производства конструкционных материалов, методы повышения свойств за 
счет легирования основы, термической, химико-термической и термомеханической обработки. Оценены преимущества и недостатки метода порошковой 
металлургии применительно к материалам различного назначения. 
Предназначен 
для 
студентов, 
обучающихся 
по 
специальностям 
150108 «Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия», 
150701 «Физико-химия процессов и материалов», а также магистров, обучающихся по направлению «Металлургия». 
УДК 621.762 

ISBN 978-5-87623-559-6 
© В.К. Нарва, 2012 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................5 
Раздел I. Пористые материалы............................................................7 
1. Пористые подшипники ........................................................................7 
1.1. Физико-химические основы и технология производства 
пористых подшипников на железной и медной основе...................... 7 
1.2. Свойства пористых подшипников. Пути улучшения  
свойств. Области применения.............................................................. 19 
2. Спеченные фильтры ...........................................................................32 
2.1. Спеченные фильтры. Основные составы и материалы  
для фильтров.......................................................................................... 32 
2.2. Технология приготовления фильтров. Свойства фильтров....... 38 
2.3. Особенности производства однослойных  
и многослойных фильтров.................................................................... 44 
2.4. Другие виды пористых материалов и изделий.  
Особенности технологии, свойства, области применения ............... 49 
Раздел II. Материалы для узлов трения...........................................56 
3. Антифрикционные материалы ..........................................................56 
3.1. Принципы работы антифрикционных материалов.  
Основы современной теории трения................................................... 56 
3.2. Физико-механические свойства твердых смазок.  
Технология изготовления, свойства и области применения 
антифрикционных материалов ............................................................ 63 
3.3. Особенности работы и составы антифрикционных  
материалов для экстремальных условий ............................................ 71 
4. Фрикционные материалы...................................................................77 
4.1. Требования к фрикционным материалам. Теоретические  
основы процессов трения и износа фрикционных материалов........ 77 
4.2. Влияние компонентов на свойства фрикционных  
материалов.............................................................................................. 90 
4.3. Технология получения, свойства,  области применения 
фрикционных материалов .................................................................. 103 
4.4. Фрикционные материалы для особых условий работы. 
Особенности составов, свойства........................................................ 109 
Раздел III. Электротехнические материалы .................................113 
5. Электроконтактные материалы.......................................................113 
5.1. Особенности работы и виды износа разрывных 
электроконтактов. Основные составы .............................................. 113 

5.2. Физико-химические основы и технология производства 
разрывных электроконтактов. Основные свойства  
и направления развития...................................................................... 120 
5.3. Скользящие электроконтакты. Технологические  
особенности производства, свойства, области применения........... 126 
6. Магнитные материалы .....................................................................136 
6.1. Составы, технология производства и свойства  
магнитомягких спеченных материалов. Области применения...... 137 
6.2. Особенности свойств, технология и составы магнитотвердых 
спеченных материалов. Области применения ................................. 140 
6.3. Ферриты. Технологические варианты получения,  
составы, свойства, области применения........................................... 148 
6.4. Магнитодиэлектрики. Структура, основные составы,  
свойства, области применения........................................................... 161 
6.5. Магнитодиэлектрики для различных отраслей техники. 
Особенности технологии. Составы компонентов, свойства .......... 165 
Заключение............................................................................................169 
Библиографический список.................................................................170 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Характерными тенденциями в современном машиностроении являются стремление к созданию новых машин и механизмов с высокими рабочими параметрами и поиски наиболее экономных высокопроизводительных методов производства. На эти направления все 
большее влияние оказывает развитие порошковой металлургии. 
Создание новых машин зависит от наличия и темпов изыскания 
новых материалов со специальными свойствами (жаропрочных, коррозионно-стойких, 
магнитных, 
антифрикционных, 
контактных, 
фрикционных и др.). Дальнейшее повышение нагрузок и скоростей 
работы машин, усложнение температурных условий и характера рабочих сред возможны только при применении новых материалов. В 
изготовлении таких материалов порошковая металлургия играет доминирующую роль. 
Развитие новой техники, особенно самолето- и ракетостроения, 
автомобилестроения, атомной и других видов энергетики, будет способствовать разработке новых материалов и тормозиться их отсутствием. Порошковая металлургия – наиболее экономичный метод изготовления изделий; отходы материалов здесь самые низкие по сравнению со всеми известными методами производства (литьем, механической холодной и горячей обработкой), а количество операций – 
минимально. Эти особенности процессов порошковой металлургии 
определяют ее как прогрессивный метод производства с большими 
перспективами дальнейшего развития. 
Материалы, производимые методом порошковой металлургии, по 
назначению делятся на две основные группы. К первой относятся 
материалы общего назначения, заменяющие обычные углеродистые 
и легированные стали, чугуны, цветные сплавы, т.е. наиболее распространенные, используемые в машиностроении и приборостроении. Их применение позволяет упростить технологию изготовления 
деталей, снизить трудоемкость и себестоимость и, следовательно, 
экономически выгодно. 
Вторую группу составляют материалы, характеризующиеся специальными свойствами – высокой прочностью и пластичностью, износостойкостью, коррозионной стойкостью, твердостью, жаропрочностью, регламентированными физическими характеристиками, например малой или большой плотностью, заданными магнитными и 
электрическими свойствами. К этой группе относятся пористые, ан

тифрикционные, фрикционные, электротехнические, жаропрочные, 
инструментальные материалы. 
Каждый из перечисленных видов материалов, полученных методом порошковой металлургии, характеризуется особыми эксплуатационными и физико-механическими свойствами, часто недостижимыми при использовании других технологических вариантов получения. 
Рассмотрению вопросов технологии и свойств порошковых пористых, антифрикционных, фрикционных и электротехнических материалов посвящен данный курс лекций. 

РАЗДЕЛ I. ПОРИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ 

1. ПОРИСТЫЕ ПОДШИПНИКИ 

1.1. Физико-химические основы и технология 
производства пористых подшипников  
на железной и медной основе 

Общая характеристика пористых подшипников 

Развитие машиностроения и транспорта, авиа- и автомобилестроения требует создания новых надежных антифрикционных материалов для узлов трения. Созданием пористых подшипников методом порошковой металлургии удалось решить важную задачу обеспечения народного хозяйства антифрикционными изделиями. 
Пористые спеченные подшипники пришли на смену литым антифрикционным сплавам типа баббитов, бронз. Однако, несмотря на 
хорошие антифрикционные свойства таких сплавов, изготовленные 
из них подшипники из-за наличия в их составе ценных цветных металлов, таких как олово, свинец, сурьма, отличались высокой стоимостью. 
Широкое применение пористых подшипников обусловлено их 
уникальными свойствами и преимуществами перед литыми подшипниками: 
а) самосмазываемостью; 
б) высокой способностью к прирабатываемости; 
в) возможностью использования недефицитных материалов; 
г) дешевизной; 
д) бесшумностью работы. 
Эти материалы успешно конкурируют с традиционными литыми 
антифрикционными материалами типа бронз и баббитов, благодаря 
тому, что остаточная пористость (25...35 %) в их структуре играет 
роль резервуара жидкой смазки, а графит служит источником сухой 
смазки. Пористые подшипники способны удерживать значительное 
количество смазки, иногда достаточное для многолетней эксплуатации, и предназначены для условий, когда подача масла затруднена, 
невозможна или ненадежна. 
Производство пористых подшипников отличается простотой технологии, высокой производительностью и большой точностью. Сокращение механической обработки и повышение производительно

сти труда дает возможность на одних и тех же площадях увеличить 
производственную программу, уменьшить парк станочного оборудования и сократить число рабочих. Применение их в промышленности 
дает большую экономию цветных металлов, позволяет упростить 
технологию изготовления подшипников и уменьшить отходы производства. К недостаткам пористых спеченных подшипников следует 
отнести ограниченную возможность применения их в тяжелонагруженных узлах, особенно там, где работа подшипника связана с ударными нагрузками. 
Первые сообщения об изготовлении пористых спеченных подшипников появились в 1922 г., когда американской электрической 
компанией был изготовлен бронзографитовый сплав. 
В Советском Союзе в 1932 г. в Ленинградском политехническом 
институте М.П. Славинским и А.С. Тумаревым были получены первые отечественные пористые пропитываемые маслом изделия из порошков оловянистой бронзы и графита. В дальнейшем с 1933 г. начался промышленный выпуск отечественных спеченных антифрикционных пористых изделий. В настоящее время пористые антифрикционные материалы изготавливаются в больших количествах на 
многих заводах. 
Промышленностью выпускается много сортов и типов подшипников. Основные группы материалов подшипников: 
1) пористое железо; 
2) железографитовая композиция (1...3 % С); 
3) бронзовые и бронзографитовые материалы: 67...90 % Cu,  
9....10 % Sn, 0...4 % C; 
4) железо–медь, железо–медь–углерод, содержащие 3...15 % Cu, 
до 2 % С, остальное – Fe; 
5) специальная бронза. 

Технология изготовления пористых подшипников  
из материалов на основе железа 

Технология изготовления пористых спеченных антифрикционных 
изделий не имеет существенных отличий от общей технологии изготовления спеченных материалов и состоит из следующих этапов: 
приготовление шихты, прессование, спекание, пропитывание маслом, калибровка, контроль. 
На рис. 1.1 приведена принципиальная схема производства железо–медь–графитовых пористых подшипников [1]. 

Для приготовления шихты при изготовлении пористых подшипников можно использовать порошок железа, полученный любым известным способом. Однако при выборе порошка в первую очередь 
руководствуются экономическими соображениями с учетом его технологических свойств. Медь используют электролитическую (МЦТУ 
4451–54), графит – карандашный (ГОСТ 4404–58), иногда – чешуйчатый марки A3 и ЭАТ или пластинчатый марки КЛЗ-1. Перед использованием металлические порошки подвергают длительному отжигу. Для удаления влаги и летучих соединений графитовый порошок прокаливают при температуре 850...1000 °С в течение 1...2 ч в 
защитной атмосфере. 

 

Рис. 1.1. Технологическая схема производства  
пористых железо–медь–графитовых подшипников 

Восстановленный железный, медный порошки и прокаленный 
графит просеивают через сита № 025-018, после чего в определенном 
соотношении смешивают. Наиболее часто смешивание осуществляют в конусных смесителях в течение 4 ч. 
При сухом смешивании трудно достигнуть высокой однородности 
смеси, происходит сильное пыление материалов, поэтому на практи

ке производят увлажненное смешивание: добавляют 1...2 % бензина, 
машинного масла ила олеиновой кислоты из расчета 0,5 см3 на 100 г 
шихты. Добавка машинного масла и олеиновой кислоты в то же время благоприятно влияет на процесс прессования шихты, но при этом 
ухудшается текучесть. Поэтому при прессовании шихты на прессахавтоматах, где производится объемная дозировка материала и требуется высокая текучесть, в шихту добавляют порошкообразный стеарат цинка в количестве 0,5...1 %. Шихту прессуют в стальных прессформах при давлении 300...800 МПа в зависимости от требуемой пористости. Введение в шихту масла снижает давление прессования до 
200...400 МПа. Пористость спрессованных подшипников составляет 
25...35 %. 
Спекание пористых втулок может осуществляться в печах любого 
типа с обязательным применением защитных атмосфер для защиты 
материалов от окисления. В качестве защитных атмосфер используют водород, диссоциированный аммиак, конвертируемый природный 
газ. В ряде случаев спекание изделий проводят в углесодержащей 
засыпке. 
При спекании в конвейерных печах с газовой защитной средой заготовки укладывают на поддоны из жаропрочной стали, которые подаются с определенной скоростью навстречу подаваемому газу. Температура спекания изделий в конвейерных печах 1050...1100 °С. Подача газа по окончании спекания прекращается при охлаждении втулок до температуры не выше 150...200 °С, иначе изделия могут окислиться. 
При применении углесодержащих засыпок заготовки укладывают 
в специальные коробки или тигли из жаропрочной стали и пересыпают древесным углем или графитом. Сверху коробки закрывают 
крышкой и обмазывают огнеупорной глиной. Коробки загружают в 
разогретую до 600...650 °С печь, нагревают до температуры спекания 
(1070 °С), выдерживают 4...6 ч, затем вынимают из печи и охлаждают на воздухе. Распаковку коробок производят при температуре не 
выше 50...60 °С. 
Контроль спеченных пористых изделий производится по микроструктуре, плотности и твердости. Форма и размер пор контролируются по микроструктуре. Металлическая основа структуры втулок в 
зависимости от состава шихты и технологии изготовления может 
быть ферритной, ферритно-перлитной, перлитной или перлитноцементитной. 

Изучением физико-химических закономерностей структурообразования железографитовых материалов при спекании занимались 
многие исследователи. В.И. Лихтман и И.Н. Смирнова предполагают 
разделять весь процесс спекания смесей Fe–C на три стадии [1]: 
1) собственно спекание, при котором определяют оптимальную 
температуру и время спекания; 
2) параллельно со спеканием: образование аустенита и диффузия 
С в аустенит. Насыщение аустенита углеродом происходит за счет 
контакта частиц Fe и С, а также за счет газовой фазы. Концентрация 
С в ауcтените поэтому не одинакова по всему объему прессовки: 
максимальное насыщение вблизи графитовых включений, в месте 
контакта Fe и С возможно образование цементита. Таким образом, в 
спеченном изделии может быть весь спектр структур: от феррита до 
цементита, т.е. неоднородный аустенит; 
3) распад аустенита при охлаждении и образование той или иной 
структуры в зависимости от концентрации С и скорости охлаждения. 
Это решающий процесс в структурообразовании и он значительно 
влияет на свойства изделия. Если при спекании образовался структурно-свободный цементит, то для его разложения необходимо дать 
выдержку в зоне эвтектоидной температуры. При этом в зависимости 
от длительности выдержки можно ожидать исчезновения только 
структурно-свободного цементита с сохранением перлитной или перлитно-ферритной структуры, либо полного разложения цементита 
перлита с образованием ферритной структуры. Скорость охлаждения 
оказывает существенное влияние на процесс формирования структуры Fe–C материалов, регулируя которую можно подавлять процесс 
графитизации или снижать содержание цементита в структуре. 
Таким образом, спекание Fe–C материалов может протекать так, 
что в результате подучится пористая масса с различным содержанием углерода: 
а) не содержащая С в связанном состоянии, т.е. обладающая ферритной структурой (С в этом случае заполняет поры изделия); 
б) имеющая в своем составе до 0,9 % Ссвяз, т.е. обладающая ферритно-перлитной структурой (0,2...0,5 % Ссвоб); 
в) имеющая ферритно-перлитную структуру, причем одна часть С 
находится в связанном состоянии в виде структурно-свободного цементита, а другая – в свободном состоянии. 
Сравнение различных структур показывает, что для антифрикционных деталей нежелательно наличия в структуре свободного цементита. Изучение физико-химических основ процесса спекания Fe–С 

материалов легло в основу выбора практического режима их спекания: быстрый нагрев до 700...800 °С с выдержкой при этой температуре 20...30 мин, подъем температуры до 1100...1200 °С с выдержкой 
1 ч, охлаждение в холодильнике печи до 800...900 °С с последующим 
охлаждением до температуры, необходимой для формирования той 
или иной структуры. 
Присадка меди (3...10 %) к Fe–С композициям благоприятно влияет как на технологию изготовления, так и на свойства изделий: улучшает прессуемость и прочностные свойства брикетов, а также стабилизирует размеры изделий при спекании, вызывая увеличение размеров изделий и компенсируя противоположное действие усадки, 
стремящейся их сократить. 
Железомедные сплавы – сплавы с ограниченной взаимной растворимостью. Растворимость меди в α-Fe изменяется от 3,5 до 0,35 % 
при понижении температуры от 830 °С до комнатной. Это дисперсионно-твердеющие сплавы. 
На рис. 1.2 приведена диаграмма состояния Fe–Cu [2, 3]. 

 

Рис. 1.2. Фазовая диаграмма системы Fe–Cu