Процессы порошковой металлургии : в 2-х т. Т. 2. Формование и спекание

Г.А.ЛИБЕНСОН 
В.Ю.ЛОПАТИН 

Г.В. КОМАРНИЦКИЙ 
1РЦ1К 

i i i i i i 
1 
ilTiiifPrii 

т. П 

ФОРМОВАНИЕ И СПЕМНИЕ 

Рекомендовано 
Учебно методическим объединением по образованию 
в области металлургии в качестве учебника для 
студентов высших учебных заведении, обучающихся по 
специалыюсти 110800 - «Порошковая металлургия, 
композиционные материалы, покрытия» 

МОСКВА 
оМИСИС» 
* 2002 

Р е ц е н з е н т ы 
кафедра «Материаловедение и техноло! ия обработки 
металлов» МАТИ-РГТУ им К Э Циолковского, 
проф , докт техн наук В А Фальковский 

УДК 621 762 

Процессы порошковой металлург ии. В 2-х т. Т. 2. Формование и спекание: Учебник для вузов / Либенсон ГА., JIonaiHH В.Ю., [Сомарипцкий Г.В. - М .МИСИСо. 2002 - 320 с 

Рекомендовано Учебно-метолическим объединением по образованию в области металл)ргии в качестве учебника д;ш студе1ггон высших учебных заведений, обучаюншхся по специальности 110800 - «Порошковая мегаллур1ия композипиоиные материалы, покрытия» 

Изложены теоретические основы и практика процессов формования и спекания мегатнческих поронжов и их смесей с немегаллическими порон1ками Рассмотрены процессы подготовки порошков к формованию, условия деформации, 
изменения плотности и свойств порошков в процессе их прессования, изостатического формования, прокатки и друшх методов обработки давлением, в том 
числе при его импульсном приложении Суммированы имеюн1иеся данные по 
теории и технологии спекания порошковых формовок Приветены сведения о 
свойствах порошковых изделие и методах их определения, а также способах обработки порошковых изделий, охране труда и технике безопасности при осуществлении основных операций составляющих сущность меюла порошковой металлургии 

Может быть полезен стуле1ггам соответствуюишч вузов при изучении основ 
металлургического производства и технологии обрабогки металлов, а также инженерно-техническим работникам метатлур!ического и машиностроительного 
производства Ил 145 Табл 31 Библиогр список 26 назв 

Издание выпуше ю при финансовой поддерзт^ке ООО «МОНТЕКС». 

ISBN 5-87623-07С-2 (общ.) 
© Либенсон Г.А., Лопатин В.Ю., 

ISBN 5-87623-098-7 (Т. 2) 
Комарницкий Г.В. 
оМИСИС, 2002 

Оглавление 

Предисловие 
.. 
5 

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. ФОРМОВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ 

ПОРОШКОВ 
.. .. 
6 

Глава 5. Подготовиа металлпчесш1х порошков и Овр'^о^апсиэ 
9 

Глава 6. Прессование nopomtia"... 
. .'... 
' 
' ' 
23 

6 I Процессы, происходящие при прессовании 
23 

6 2 Зависимость плотности прессовки от давления 

прессования 
... 
.... 
. ... 
' 
33 

6 3 Боковое давление 
... 
.... 
. .. 
44 

6 4 Трение Давление выгалкивания Упругое последействие 
46 

6 5. Прессование со смазкой или пластификатором 
52 

6 6. Прочность прессовок 
.. 
. . . 
55 

6 7 Брак при прессовании и факторы, 

способствующие его появлению 
57 

6 8 Практика прессования .... 
. ... 
59 

Глава 7. Изостатпчессше форпозапсе 
77 

Глава 8. Шлпкерпое форповаппе.. 
.. 
. . . . 
105 

Глава 9. Прокатка порошса^ 
. 
115 

Глава 10. Мундштучное фор* 1озаш:е . . 
.. 
134 

Глава И. Иш'л&юциошюе форпозаппс 
139 

Глава 12. Впбрацпоппое форпозаш:е'' 
143 

Глава 13. Иппульспсе фррпозагате ^ 
. . . 
. 
. 
151 

ЧАСТЬ ВТОРАЯ. СПЕГСШИЕ ... 
167 

Глава 14. Твердофазное спекание. 
. 
172 

' 14.1 Спекание однокомпонентных систем 
172 

14.1 1 Стадии спекания 
.... 
172 

14.1 2 Движущие силы спекания 
.... 
. . . 
..175 

14.1 3 Механизмы массопереноса 
.... 
181 

14 1 4 Ползу1есть кристаллических тел 
192 

14 I 5. Рекристаллизация частиц 
. . . . 
198 

14 1 6 Уплотнение порошкового тела 
. .. 
200 

14 1 7. Влияние технологических факторов 

на формирование при нагреве свойств порошковых тел 
205 

14 2 Спекание многокомпонентных систем 
216 

14 2 1.Системы с полной взаимной растворимостью 

компонентов 
. 
... 
.... 
.. . . 217 

14 2 2 Системы с ограниченной растворимостью компонентов... 220 
14 2 3 Система с нерастворимыми 

(невзаимодействующими) компонентами 
223 

Глава 15. Жндссофазпое спекание . 
225 

15 1 Общая характеристика спекания 
225 

2 Стадии спекания 
, 
. 
229 
15 3 Теоретические и технологические аспекты поиедения 

порошкоиых тел при спекании 
. 
.. 
. 
235 
15 3 1 Спекание с жидкой фазой, присутсткуюшей до кониа 

изотермической выдержки 
235 
15 3 2 Спекание с жидкой фазой, 

исчезающей в процессе нагрева 
. 
237 

15 4 Инфильтрация порошковой формовки 
. 
.. 240 

15 5 Управление объемными изменениями порошковых тел при 

, 
жидкофазном спекании 
242 

Глава 16. Практика спекания 
246 

16 1 Атмосферы спекания и защитные засыпки 
246 
16 2 Печи для спекания 
. . 
. 
. 
250 
16.3 Брак при спекании и меры по его предупреждению 
254 

Глапа 17. ГорячеелрессоЬаппе 
. . 
. . 
... 
. 
257 

Глапа 18. OSiivie попросы охраиы труда п техники безопасиости 
266 

Глапа 19. Спойстпа порошковых nsAejuiriii петоды tix ко1ггролл 
274 

19 1 Структура порошковых материалов и изделий 
. 
.276 

19 2 Физические свойства порошковых материалов и изделии 
281 
19 2 1 Плотность и пористость изделий 
. 
.281 
19 2 2 Электрические, тепловые и магнитные свойства 
284 

, J9 2 3 Механические свойства 
286 

Гласа 20. Обработка порошковых изделий 
295 

20 1 Термическая обработка 
295 
20 2 Химико-термическая обработка 
301 
20 3 Термомеханичес1^а) обработка 
307 
20 4 Дисперсионно-унрочняющая термическая обработка 
308 
20 5 Защига от коррозии 
309 
20 6 Механическая обработка 
310 

Библиографический список 
318 

Прэдисловие 

Во втором томе учебника для вузов «Процессы порошковой 
металлургии» (первый том вышел из печати в августе 2001 г.) 
рассмотрены теория и технология как основных (формование, 
спекание), так и наиболее эффективных дополнительных операций, составляющих коренную сущность производства порошковых материалов и изделии. 

Нумерация глав, рисунков и таблиц продолжена, а структура 
изложения материала в основном сохранена, включая наличие в 
конце кахсдой главы (раздела) вопросов для закрепления и проверки усвоения рассматриваемых основных положении. Библиографический список общий и по разделам (главам) составлен с 
учетом изданий, вышедших за последнее десятилетие. 

Наиболее важные термины и определения понятий приведены 
в соответствии с ГОСТ 17359—82 «Порошковая металлургия. Термины и определения > и Мехедународным стандартом ИСО 3252; 
текстуально они воспроизведены после названия соответствующих глав или пунктов. 

Авторы с благодарностью восприняли направленную на улучшение учебника в целом благожелательную и полезную критику 
рецензентов по первому и второму томам — кафедры «Материаловедение ь технология обработки металлов» МАТИ-РГТУ 
им. К.Э.Циолковского (заведующий чл.-корр. РАН, проф., докт. 
техн. наук А А Ильин) и проф., докт. техн. nayic В А. Фальковского 
(ГУП ВНИИТС). 

Авторы выражают особую блаюдариость руководителю группы 
компании «МОНТЕКС» С В. Пияизину за финансовую поддержку издаршя этого учебника 

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. ФОРМОВАНИЕ 
ЕШЕТАЛЛМЧЕС:С[/15( ПОРОШКОВ 

Формование метаяпи lecKoro порошка — 
технологическая операция, в результате 
которой металлический порошок обраjyer порошковую формовку Порошковая 
формовка — тело, полученное из металлического порошка и имеющее заданные 
форму, размеры и плотность 

Металлические порошки отличаются от компактных твердых 
тел значительной подвижностью частиц, сгюсобностью сохранять 
приданную им форму только при определенных условиях и оказывать давление на ограждающую поверхность, практически от 
сутствием сопротивления растягивающим усилиям и пр Перед 
формованием отмеренная порция порошка (навеска) представляет собой порошковое тело, т е некоторую пространственную 
конструкцию, механические характеристики которой определяются химическими и физическими свойствами материала частиц, 
их размером, формой, состоянием поверхности, взаимным расположением и другими факторами 

В процессе формования исходный объем металлического порошка под воздействием давления или вибрации уменьшается и 
происходит консолидация', в результате которой формируется 
требуемая заготовка (формовка). Именно наблюдающееся изменение первоначального объема порошкового тела существенно отличает его деформирование от деформирования компактного тела, 
объем которого остается постоянным, хотя геометрические размеры и их соотношения изменяются и во многих случаях значительно. Уплотнение порошка, сопровождающееся зачастую формоизменением его частиц, обеспечивают прессованием в прессформах, формованием в оболочках под воздействием жидкости 
или газа высоких давлений, шликериым формованием, прокаткой и другими методами, в том числе при высоких скоростях приложения давления (рис. 136) 

' Консолидация — процесс или совокупность процессов получения цельных и 
спязных твердых тел и изделии путем объединения входящих в их состав структурных элементов 

s 

Одностороннее 

Двустороннее 

•В" 
та 
§ 
ш 
о 
а 
с то 

Гидростатическое 

Газостатическое 

В толстостенных 
злостичных втулках 

• S i 

2 о 

та 

Вертикальная 

Горизонтальная 

Наклонная 

Радиусная 
f 

г 

I 

В пористых формах 

Элаттрофорвпнеаюг 

Термопластичных 
шликеров 
« 

! 
1 
I 

Порохами 

Бризантными 
взрывчатыми 
веществами 
f 

Электромагнитное 

? 

Г 

Электрогидравлическое 
•а 
2 

Пневмомеханическое 

Формование более чем любая другая операция лимитируег технологические возможности порошковой металлургии Сложность 
происходящих при этом явлений делает необходимым проведение специальных операций по подготовке порошка к последующему уплотнению 

Глава 5. Подготовиа металличессаш 

порошсюв U (х}орг^]ова[-][^1со 

Процессы подготовки порошков к формованию занимают весьма важное место в общей схеме производства из них материалов и 
изделии. Как правило, металлические порошки производят на 
специализированных заводах и практически невозмо)сно учесть 
все требования, которые могут предъявлять к порошкам его различные потребители. Почти во всех случаях возникает необходимость в специальных операциях подготовки для придания порошку определенных химических и физи11еских характеристик, обеспечивающих выпуск из него продукции с нужными конечными 
свойствами Даже когда порош1си производят непосредственно сами 
потребители, некоторые дополнительные операции перед формованием порошков необходимы 

Основными операциями при подготовке порошков к формованию являются отжиг, рассев (классификация) и смешивание. 

Отхсиг. Этот вид тепловой (термической) или химико-термической обработки порошков (аналог отжига 1-го рода) применяют для решения нескольких целевых задач: изменить химический 
состав или улучшить однородность (т.е. повысить гомогенность) 
распределения химических элементов в объеме частиц; изменить 
напряженное состояние материала частиц; укрупнить частицы 
порошка, в том числе для уменьшения его пирофорности; уменьшить газонасыщенность порошка При отжиге главным образом 
снимается наклеп, т.е. устраняется искажение кристаллической 
решетки металла в приповерхностных слоях частиц, и происходит 
восстановление оксидов оставшихся при получении порошка или 
образовавшихся в результате некоторого окисления металла при 
длительном или неправильном его хранении В результате повышается пластичность частиц и следовательно, улучшаются уплотняемость, прессуемость и формуемость порошка. 

Нафев осуществляют в защитной среде (восстановительная, 
инертная или вакуум) при температуре 0,4-0,6 Г^ металла порошка. Например, медный порошок до вое ста на вливают при 
350-400 °С в токе водорода, а железный порошок отжигают при 
650-750 °С. 

Наиболее часто отжигу подвергают порошки, полученные ме

ханическим измельчением твердых материалов, диспергированием 
расгшавов, электролизом и разложением карбонилов Такие пороп1ки содержат значительные количества оксидов, растворенных 
ииов и наиболее наклепаны Порошки, полученные восстановлением, отжигают юлько в тех случаях, когда требуется повысить 
чистоту порошка или при необходимости укрупнения мелких частиц 

Порошки 01ЖИ1ают в проходных печах, подобных печам для 
восстановления оксидов и спекания заготовок Ддя более ти;ательной очистки порошков от различных примесей часто используют 
при их отжиге атмосферы с галогеисодержашими добавками Так, 
отжиг железного порошка в атмосфере смеси водорода с хлористым водородом приводит к получению порошков, более чистых 
по кремнию и марганцу (наличие хлористого водорода способствует образованию легко испаряющихся хлоридов этих металлов) 

Классификация Под классификацией понимают разделение порошка по размерам частиц на фракции, используемые затем либо 
непосредственно для формования, либо для сос1х1вле1шя смеси, 
содержащей требуемый процент частиц нужного размера При этом 
некоторые фракции порошка могут оказаться непригодными для 
прямою использования, поэтому их подвергают какой-либо дополнительной обработке (укрупнению в случае мелких фракций 
или размолу в случае крупных) или отбрасывают. 

Фракционирование порошка проводят обычно в аппаратах, 
применяемых в химическом производстве и обогатительном деле 
просеивание на разделяющей поверхности (рассев, отсеивание, 
фохочение); гидравлическая классификация в подвижной или неподвижной жидкой среде; сухая классификация в газовых потоках. Чаще всего в порошковой металлургии применяют ситовую 
классификацию порошков с использованием различных типов сит, 
основными из которых являются механические сита с электромагнитным или рычажным вибратором; сетки аналогичны тем, 
которые применяют в ситовом анализе порошков (соответствуют 
ГОСТ 6613-86 квалификации высокой точности В). Для расчета 
размера отверстия сетки а (мм) можно использовать выражение 
а = (100 - Nd)/N, где N — число проволок сетки на 1 дм, d — 
диаметр проволоки, мм. Для классификации порошков применяют также многодечные механические вибросита; движение сетчатых дек осуществляется от электродвигателя через клиноременную передачу (рис. 137) Разработанное на Украине трехдечное 

10 

вибросито СВЗ-0,9 содержит набор цилиндрических обечаек с 
просеиваюшими поверхностями Зафузочиый и разгрузочный патрубки снабжены резиновыми манжетами для герметичной стыковки с патрубком питающего исходным материалом устройства 
и желобами, принимающими расклассифицированные порошки 
Можно регулировать частоту колебаний дек и их амплитуду. Вибросито выполнено пыленепроницаемым и снабжено приспособлениями для отбора проб из потока порошка в разгрузочных патрубках. Площадь каждой из трех просеивающих сеток равна 0,56 м^ 
при наружном диаметре обечаек 900 мм Рассев порошка можно 
вести на четыре фракции. Вибросито укомплектовано просеиваюшими сетками с размером ячеек 1; 0,315; 0,16; 0,1 и 0,05 мм. Эффективность разделения на фракции 90^-95 %; производительность 
зависит от природы материала порошка и размера его частиц 

Рыбинский машиностроительный завод и 
фирма КОНСИТ (Москва) выпускают круглые 
двухдечные вибросита 
СВ2-0,6, 
СВ2-0,9 и 
СВ2-1,2 с производительностью от 0,01 до 0,2 мУч 
(СВ2-0,6) и от 0,02 до 
0,5 мУч 
(СВ2-0,9) в 
интервале размеров частиц 0,1 
(0,16)-0,45 и 
0,16 
(0,315) — 1 мм 
соответственно. 

В некоторых случаях 
вибросита используют совместно с электромагнитными 
сепараторами, 
обеспечивающими очистку просеиваемого порошка от магнитных примесей. 

При затрудненности 
свободного просева порошка используют различные протирочные ситовые устройства, в кото
Рис 137 Вибросито СВЗ-0,9 I — ичлиндрическая обечайка. 2 — нижняя обечайка, 
3 — упругие связи, 4 — рама, 3 — двигитель, 
6 — вал вибровозбудителя, 7 — манжеты 
[кзинопыс, 8 — разгрузочный патрубок, 9 — 
рассеивающие поверхности, /О — 3arpyjo4HbiH 
патрубок 

11 

рых специальное приспособление с неболыним усилием давит на 
порошок, способствуя его проходу через сетку. Производительность таких протирочных сит значи1елыю меньше обычных вибрационных. 

Гидравлическое фракционирование порошков проводят в жидкой среде в потоке, совпадающем (противоположном) или направленным под углом относительно направления основных действующих сил На первом принципе основаны гравитационные 
классификаторы, на втором — центробежные классификаторы. На 
рис. 138 показан гидравлический классификатор, в чан / которого 
сверху подают пульпу через патрубок 5, а снизу по трубе «Уподают 
воду для создания взвешенного слоя оседающих частиц; крупные 
частицы из нижней части чана удаляются сифонами б, работа 
которых регулируется клапанами}, связанными с пьезометрическими трубками 2 В начальный момент работы классификатора 
сифоны б приводятся в действие водой, подаваемой через трубюи 
4. Слив, содержащий тонкую фракцию порошка, стекает в концентрический желоб 7. Для полной pajipyjKH чана имеются сливные njTyuepbi 9. 

Питание 

Рис 138 Гил()анли'1сский кла(.си(1)ик<порсси(1юнной pajrpyjKOH 

12