Технология и свойства спеченных материалов и изделий

УДК 621.762 
П16 

Р е ц е н з е н т 
проф., д-р техн. наук^.5. Манухин 

Панов B.C., Нарва В.К., Дубынина Л.В. 

П16 
Технология и свойства спеченных материалов и изделий: 
Лаб. практикум. - М.: МИСиС, 2003. - 118 с. 

В лабораторном практикуме рассмотрены вопросы изготовления изделий 
из твердых сплавов и материалов со специальными свойствами, а также исследования структуры и свойств изделий из этих материалов. 

Предназначен для студентов специальностей 110200 «Металлургия цветных металлов» и 110800 «Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия». Может также использоваться студентами специальности 
070800 «Физико-химия процессов и материалов». 

© Московский государственный институт 
стали и сплавов (Технологический 
университет) (МИСиС), 2003 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение 
5 

Лабораторная работа 1. Получение порошка кобальта 
восстановлением оксидов кобальта водородом и 
определение его свойств 
6 

Лабораторная работа 2. Исследование процесса 
восстановления оксида вольфрама водородом 
11 

Лабораторная работа 3. Получение порошка вольфрама 
восстановлением оксида вольфрама (WO3) сажей 
15 

Лабораторная работа 4. Получение порошка карбида 
вольфрама 
19 

Лабораторная работа 5. Исследование превращений оксидов 
и металлов при нагреве в газовых средах 
23 

Лабораторная работа 6. Изучение влияния давления 
прессования на относительную плотность прессовки из 
твердого сплава и материалов со специальными свойствами 
29 

Лабораторная работа 7. Изучение распределения плотности 
по объему спрессованного образца из твердосплавной смеси 
35 

Лабораторная работа 8. Определение затрат усилия 
прессования на преодоление трения порошка о стенки 
прессформы 
39 

Лабораторная работа 9. Изучение процесса спекания 
твердых сплавов 
44 

Лабораторная работа 10. Измерение электропроводности 
электроиндуктивным методом 
49 

Лабораторная работа 11. Получение пористых фильтров 
54 

Лабораторная работа 12. Получение и свойства пористых 
подшипников 
59 

Лабораторная работа 13. Получение дисперсноупрочненных 
материалов 
63 

Лабораторная работа 14. Получение электроконтактных 
материалов 
67 

Лабораторная работа 15. Горячее прессование тугоплавких 
соединений 
75 

Лабораторная работа 16. Получение конструкционных 
материалов 
79 

Лабораторная работа 17. Термическая обработка спеченных 
сталей 
83 

3 

Лабораторная работа 18. Металлографическое исследование 
спеченных материалов 
87 

Лабораторная работа 19. Измерение коэрцитивной силы 
твердых сплавов 
91 

Приложение 1. Методика определения плотности и пористости 

спеченных изделий 
96 

Приложение 2. Методика определения масловпитываемости 
99 

Приложение 3. Методика определения твердости 
101 

Приложение 4. Методика определения микротвердости 
106 

Приложение 5. Методика определения прочности при сжатии 
108 

Приложение 6. Методика определения электросопротивления 
ПО 

Приложение 7. Методика приготовления шлифов для 

металлографического исследования спеченных 
изделий 
113 

Приложение 8. Математическая обработка результатов 

эксперимента 
115 

4 

ВВЕДЕНИЕ 

Лабораторный практикум отражает раздел спецкурса «Технология 
и свойства спеченных материалов и изделий» и предназначен для 
студентов специальностей 110800 «Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия». 

Цель лабораторного практикума - сформировать и закрепить знания 
студентов по современным методам исследования теории технологических процессов получения твердых сплавов и материалов спецназначения, научить студента самостоятельно анализировать и обрабатывать 
экспериментальные данные, обосновывать и формировать выводы. 

Лабораторные работы данного практикума выполняются студентами после прослушивания общих и теоретических курсов по специальности и базируются на знании основных теоретических и практических вопросов порошковой металлургии. В данном практикуме 
рассматриваются только специальные вопросы по получению и свойствам основных видов спеченных материалов: твердых сплавов и 
материалов с особыми свойствами. 

Выполнение лабораторных работ дает студентам навык работы на 
основном технологическом оборудовании, приборах и установках 
для определения основных свойств спеченных материалов. 

Для выполнения каждой работы после опроса студент получает допуск, после выполнения работы и оформления отчета защищает работу 
с объяснением полученных результатов. Порядок выполнения работы, 
требования к отчету содержатся в пояснении к каждой работе. 

Для выполнения лабораторных работ студенты делятся на бригады (по 2-3 чел.). Каждый студент в бригаде выполняет самостоятельную работу по одному из вариантов, приведенных в описании 
работы, оформляет отчет по своему индивидуальному заданию и защищает полученные результаты. 

Продолжительность каждой лабораторной работы 4 часа\ Она 
складывается из всех компонентов выполнения работы: опроса для 
получения допуска к работе, технологической части работы (определение навесок, прессование, спекание, получение порошков восстановлением, исследование свойств спеченных материалов), оформления полученных результатов и защиты лабораторной работы. Наиболее продолжительная часть лабораторной работы (3-3,5 часа) относится к процессам получения порошков восстановлением, карбидизации, спекания спрессованных образцов, длительность которых 
связана с объективными технологическими рекомендациями, нарушение которых приводит к получению бракованных изделий. 

' Лабораторные работы 18 и 19 проводятся на одном занятии. 

5 

Лабораторная работа 1 

ПОЛУЧЕНИЕ ПОРОШКА КОБАЛЬТА 

ВОССТАНОВЛЕНИЕМ ОКСИДОВ КОБАЛЬТА 

ВОДОРОДОМ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО СВОЙСТВ 

(4 часа) 

1.1. Цель работы 

Получение навыков по восстановлению оксидов и изучение влияния температуры и времени выдержки при восстановлении оксидов 
кобальта водородом на некоторые свойства получаемого порошка. 

1.2. Введение 

Металл кобальт, широко применяющийся при производстве твердых сплавов, обладает низким сродством к кислороду, поэтому его 
оксиды легко 
восстанавливаются 
водородом. 
Основными 
соединениями кобальта с кислородом являются низший оксид С02О3 и 
высший оксид С03О4. В качестве исходных материалов оксиды кобальта обычно используют для получения очень чистых металлических порошков, используемых в производстве твердых сплавов. В 
общем виде реакция восстановления оксидов кобальта водородом 
имеет вид 

Соз04+4Н2«ЗСо + 4 Н А 
(1.1) 

а константа равновесия 

PHJO 

где Рщо и PHJ -равновесное давление соответственно паров ВОДЫ 
и водорода в печи. 

Время процесса зависит от крупности исходных оксидов, температуры процесса, толщины 
слоя засыпки, 
скорости 
потока 
газавосстановителя и других факторов. Дисперсность получаемого порошка 
кобальта зависит от температуры и времени выдержки. Чем выше температура и время выдержки, тем крупнее получаемый порошок. 

6 

Порошок кобальта можно получать восстановлением С03О4 до металлического кобальта водородом при температуре 500...800 °С. При 
низких температурах восстановления получают тонкие пирофорные 
порошки, дальнейшее обращение с которыми затруднительно. Очень 
высокие температуры также нежелательны из-за сильного спекания 
порошковых частиц, которые в связи с пластичностью кобальта плохо перемешиваются и измельчаются на последующих операциях. 

1.3. Оборудование и методика 

В твердосплавной промышленности кобальт (порошок) получают 
в печах сопротивления с нихромовым нагревателем при температуре 
550...570 °С в лодочках из нержавеющей стали. Содержание кислорода в таком порошке < 0,5 %, насыпная плотность 0,6...0,8 г/см1 
Конструкция печей и методика проведения процесса восстановления 
подробно описаны в [1, 2, 3]. 

1.4. Порядок проведения работы и указания 
по охране труда 

Исходный материал: чистый химический оксид кобальта (С03О4). 
Восстановление производят при температурах 500, 600, 700, 800 °С и 
времени выдержки 30, 45, 60 мин. Павеску оксида рассчитывают на 
получение 25 г порошка кобальта. Павеску помещают ровным слоем 
в предварительно взвешенную лодочку из нержавеющей стали и восстанавливают водородом в лабораторной трубчатой электрической 
печи с нихромовым нагревателем по режиму, указанному преподавателем. Охлаждают лодочки в холодильнике печи в течение 
20...30 мин. Во время процесса температуру в печи регулярно контролируют с помощью термопары, а расход водорода - с помощью 
ротаметра. Загружают и выгружают лодочки в соответствии с правилами по охране труда при работе на водородных печах. 

Выгруженные лодочки взвешивают на технических весах. По разности масс до и после опыта оценивают полноту восстановления и 
рассчитывают степень восстановления (выход металла в процентах 
от теоретического). Полученный порошок просеивают через сито № 008. Для порошков, полученных при разных режимах восстановления, определяют следующие свойства: 

1) насыпную плотность; 
2) текучесть порошка; 
3) зернистость, гранулометрический состав порошка; 
4) форму частиц (микроскопически). 

7 

При работе на печи восстановления необходимо соблюдать следующие правила по охране труда: 

1. Перед включением печи проверить состояние ее заземления. 
2. Включение и выключение печи, подачу и отключение подачи 
водорода проводить только в присутствии учебного мастера. Студент 
контролирует работу печи и ведет наблюдения за приборами, показывающими расход водорода и температуру. 

3. Перед началом работы ознакомиться с расположением и назначением основных частей печи. 

4. Запрещается касаться тех частей печи, которые не указаны в 
описании работы. 

5. Перед включением нагрева печи проверить подвод воды к охлаждаемым частям печи. 

6. Перед пуском водорода в печь проверить всю осушительную 
систему на герметичность. 

7. Открыть вентиль редуктора баллона с водородом, установить 
заданную скорость подачи водорода в печь и подождать 4...5 мин. 
Затем отобрать в пробирку пробу газа и проверить его на взрывоопасность. 

8. После заполнения всей системы водородом его поджигают у 
конца выходной трубки. 

9. Водород на выходе из печи должен быть постоянно подожжен. 
10. При открывании печи (замер температуры, загрузка, продвижка или выгрузка лодочек) необходимо поджигать водород у отверстия с помощью электрического «факела» (спирали). Нельзя приближать лицо к отверстию печи и стоять напротив него. 

11. Загрузку лодочек в печь следует производить аккуратно с помощью специального инструмента (щипцов-захватов, стальных 
прутков, штанг и т.д.). 

12. По окончании работы отключить печь и закрыть водород. 

1.5. Обработка результатов 
эксперимента 

Полученные данные сводятся в таблицу. С целью получения кинетических характеристик процесса восстановления оксида кобальта 
необходимо: 

1) построить зависимость степени восстановления оксида от продолжительности и температуры процесса; 

2) построить зависимости свойств порошка кобальта от режима 
получения (Г, т). 

8 

1.6. Требования к отчету по работе 

Отчет по работе должен содержать: описание опыта, его цель с 
учетом индивидуального задания, теоретическую часть, условия подготовки исходных материалов к опыту, основные характеристики 
используемого оборудования, методику определения свойств, результаты микроскопического исследования формы частиц, точность 
измерений, таблицы и графики по результатам опытов и обработке 
данных (Приложение 8); анализ результатов опытов, включая сопоставления результатов теоретических расчетов с полученными фактическими результатами. 

1.7. Литература 

г.Либенсон Г.А., Лопатин В.Ю., Комарницкий Г.В. Процессы порошковой металлургии. Т. 1. М.: МИСиС, 2001. 367 с. 

2. Панов B.C., Чувилин A.M. Технология и свойства спеченных 
твердых сплавов и изделий из них. М.: МИСиС, 2001. 427 с. 

3. Либенсон Г.А., Панов B.C. Оборудование цехов порошковой металлургии. М.: Металлургия, 1983. 264 с. 

1.8. Контрольные 
вопросы 

Проверка готовности к проведению работы 

1. Назовите важнейшие характеристики восстановительного процесса и объясните их значение. 

2. Объясните, почему необходима перед включением нагрева печи 
«промывка» ее водородом. 

3. Назовите основные параметры режима восстановления, оказывающие влияние на свойства получаемого порошка. 

4. Назовите, к какой группе методов относится получение порошков восстановлением. 

5. Назовите основные материалы, которые применяются в качестве нагревателя в печах сопротивления. 

6. Перечислите основные требования к восстановителям. 
7. Перечислите правила работы на электропечах. 

Основные вопросы для сдачи работы 

1. Каковы основные свойства полученного порошка кобальта: химический состав, гранулометрический состав, насыпная плотность, 
текучесть, форма частиц? 

9 

2. Что можно сказать о механизме изучаемого процесса получения 
металлических порошков газообразным восстановителем? 

3. Каково влияние температуры и времени выдержки на основные 
свойства получаемого порошка? 

4. Какие факторы оказывают влияние на скорость восстановления 
и зернистость получаемого порошка? 

5. Каким образом степень восстановления может влиять на прессуемость порошка? 

6. Каковы технико-экономические показатели различных методов 
получения металлического порошка кобальта? 

10 

Лабораторная работа 2 

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА 

ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОКСИДА ВОЛЬФРАМА 

ВОДОРОДОМ 

(4 часа) 

2.1. Цель работы 

Приобретение навыков по восстановлению оксидов водородом и 
работы на электропечах. 

2.2. Введение 

Порошок металлического вольфрама, получаемый восстановлением 
его оксида водородом, является основным материалом для производства твердых сплавов и различных вольфрамсодержащих изделий. 

Восстановление оксида вольфрама водородом протекает ступенчато в четыре стадии с образованием промежуточных оксидов: 

WO3 + 0,in2«WO2,9 + 0,in2O; 
(2.1) 

W02,9 + 0,18 П 2 « W02,72 + 0,18 П2О; 
(2.2) 

W02,72 + 0,72 П2 « WO2 + 0,72 П2О; 
(2.3) 

W 0 2 + 2 n 2 « W + 2n20 
(2.4) 

Реакции обратимы, условия их протекания определяются значением константы равновесия. 

Обычно стехиометрию процесса описывают суммарным уравнением: 

(WOs + n ^ ^ W O ^ + n^O) 
(2.5) 

(0,5WO2+n2^0,5W + n2O) 
(2.6) 

WOs+Sn^^W + Sn^O. 
(2.7) 

Кажущуюся энергию активации рассчитывают для суммарного 
уравнения (2.7). 

11 

Разделение процесса восстановления на две стадии (2.5) и (2.6) 
позволяет оперативно и гибко регулировать режимы восстановления 
на каждой стадии и получать порошок вольфрама с требуемым размером частиц, а также повысить производительность печей из-за 
разницы в насыпной плотности оксидов и вольфрама. Как правило, 
какой зернистости получался WO2, такой же зернистости будет порошок вольфрама. 

Степень восстановления оксида вольфрама водородом определяется скоростью подачи водорода и его влажностью, температурой 
процесса, временем выдержки в горячей зоне печи, количеством загрузки (WO3) в лодочку. 

г.З.Оборудование и методика 

Порошок вольфрама получают в электропечах сопротивления с 
нихромовым (до 1000 °С) или молибденовым (выше 1000 °С) нагревателем. Процесс проводят в лодочках из нержавеющей стали при 
850...950 °С для получения порошка с насыпной плотностью 
2,0...2,5г/см^ и при 1200 °С для получения крупнозернистого порошка с насыпной плотностью 7...8 г/см1 Водород подают со стороны разгрузки лодочек («противоток») или со стороны загрузки 
(«прямоток»). «Отработанный» водород во избежание взрыва на выходе поджигают или регенерируют в специальных аппаратах. Конструкция печей и методика проведения процесса описана в [2]. 

2.4. Порядок проведения работы и указания 
по охране труда 

Исходный материал- химически чистый оксид вольфрама 
(WO3) - после проведения расчетов загружают в лодочку, предварительно взвешенную. Павеску оксида берут из расчета получения 25 г 
вольфрамового порошка по суммарной реакции (2.7) и ровным слоем 
засыпают в лодочку. Лодочку помещают в трубу печи и проталкивают в горячую зону, где она выдерживается определенное время, указанное преподавателем, при нужной температуре в зависимости от 
требуемой зернистости порошка. В ходе процесса температура в печи регулярно контролируется с помощью термопары, а расход водорода - с помощью ротаметра. После выдержки лодочку проталкивают в холодильник печи, где она охлаждается 10... 15 мин. Остывшую 
лодочку вместе с порошком взвешивают на технических весах. По 
разности массы рассчитывают степень восстановления (выход ме
12 

талла в процентах от теоретического). Для порошка вольфрама, полученного при различных температуре и выдержке, определяют насыпную плотность, текучесть, размер и форму частиц. При выполнении работы необходимо строго выполнять все правила работы на 
электропечах (см. лабораторную работу 1). 

Работу выполняют с оксидом вольфрама при следующих режимах 
восстановления: 

1) 800 °С, выдержка 20, 40, 60 мин; 
2) 850 °С, выдержка 20, 40, 60 мин; 
3) 900 °С, выдержка 20, 40, 60 мин; 
4) 950 °С, выдержка 20, 40, 60 мин. 

2.5. Обработка результатов 
эксперимента 

1. Полученные в соответствии с индивидуальным заданием данные записать в таблицу. 

2. По экспериментальным данным построить графики зависимости свойств порошка вольфрама от температуры восстановления и 
времени выдержки. 

2.6. Требования к отчету по работе 

Отчет по работе должен содержать: цель ее проведения, описание 
выполнения опытов с учетом индивидуального задания, теоретическую часть, расчеты навесок, характеристику оборудования, методику определения свойств порошка, точность измерения, таблицы и 
графики, построенные по результатам опыта, анализ полученных 
данных. 

2.7. Литература 

1. Панов B.C., Чувилин A.M. Технология и свойства спеченных 
твердых сплавов и изделий из них. М.: МИСиС, 2001. 427 с. 

2. Либенсон Г.А., Панов B.C. Оборудование цехов порошковой металлургии. М.: Металлургия, 1983. 264 с. 

2.8. Контрольные 
вопросы 

Проверка готовности к выполнению работы 

1. Назовите существующие оксиды вольфрама. 
2. Почему перед включением нагрева печи необходима «промывка» ее водородом? 

13