Основы технологии порошковой металлургии: учебное пособие для самостоятельной работы и практических занятий

Н. Г. Крашенинникова     С. Я. Алибеков  

 
 
 

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ 

ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ 

 
 
 

Учебное пособие для самостоятельной работы  

и практических занятий 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Йошкар-Ола 

ПГТУ 
2018 

УДК 621.762 
ББК  34.39 

К 83 

 

Рецензенты: 

доктор технических наук, профессор Марийского государственного 

университета Г. С. Юнусов; 

доктор химических наук, профессор Поволжского государственного технологи-

ческого университета Ю. Б. Грунин  

 

 

Печатается по решению  

редакционно-издательского совета ПГТУ 

 

 
 
 
Крашенинникова, Н. Г. 

К 83         Основы технологии порошковой металлургии: учебное посо-

бие для самостоятельной работы и практических занятий / 
Н. Г. Крашенинникова, С. Я. Алибеков. – Йошкар-Ола: Поволж-
ский государственный технологический университет, 2018. – 
156 с. 
ISBN 978-5-8158-1975-7 

 

Учебное пособие предназначено для организации работы на практи-

ческих занятиях и самостоятельной работы студентов технических 
направлений подготовки и специальностей по основным разделам дис-
циплин «Основы технологии порошковой металлургии», «Методы фор-
мообразования изделий из порошковых материалов». 

 

УДК 621.762 

ББК 34.39 

 

ISBN 978-5-8158-1975-7 
© Крашенинникова Н. Г.,  

Алибеков С. Я., 2018 

© Поволжский государственный 

технологический университет, 2018 

ВВЕДЕНИЕ 

 

Порошковая металлургия является одной из перспективных и 

быстро развивающихся технологий металлургического и машино-
строительного производства. Непрерывно увеличивается производ-
ство металлических порошков и изделий из них, разрабатываются 
новые материалы, высокоэффективные методы формования порош-
ковых заготовок, развивается научная база порошковой металлур-
гии. Соответственно увеличивается потребность в специалистах, 
знакомых с особенностями и возможностями этой технологии.  

В связи с этим программы подготовки бакалавров и магистров 

многих технических направлений предполагают изучение техноло-
гии порошковой металлургии. 

Данное учебное пособие написано в соответствии с программами 

дисциплин «Основы технологии порошковой металлургии» и «Ме-
тоды формообразования изделий из порошковых материалов» и 
предназначено для организации самостоятельной работы, а также 
работы на практических занятиях студентов технических направле-
ний очной и заочной форм обучения. 

Целью практических занятий является закрепление студентами 

рассматриваемого на лекциях теоретического материала, выработка 
навыков самостоятельной научно-исследовательской и профессио-
нальной деятельности в области порошковой металлургии. 

В ходе практических занятий разбирается теоретический матери-

ал по заданной теме, рассматриваются основные методики расчета, 
после чего студенты выполняют индивидуальные задания. Прокон-
тролировать степень освоения материала позволяют предлагаемые 
по каждой изучаемой теме контрольные вопросы.  

Пособие включает работы по всем основным разделам курса. 
Практические занятия 1–4 посвящены изучению основных мето-

дов получения порошков, их свойств, областей применения, порядка 
обозначения и классификации. 

На занятиях 5–11 рассматриваются основные закономерности 

процесса прессования металлических порошков, принципы проекти-
рования пресс-форм, основные методы формования, методика рас-

чета размеров формообразующих элементов оснастки, технологиче-
ских параметров процесса прессования в металлической пресс-
форме, мундштучного и изостатического прессования. 

На занятиях 12–16 студенты должны получить представление о 

технологии спекания порошковых заготовок, структуре и свойствах 
спеченных конструкционных и антифрикционных материалов, овладеть 
навыками разработки маршрутных технологических процессов 
изготовления порошковых деталей, расчета основных технологических 
параметров и пооперационной трудоемкости.  

Работа на практических занятиях и самостоятельная работа студентов 
по изучению основных разделов дисциплины должна способствовать 
приобретению обучающимися знаний, умений, навыков, 
на основе которых формируются соответствующие компетенции 
согласно требованиям ФГОС высшего профессионального образования. 

Практическое занятие 1

 

РАСЧЕТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ 

ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВ В ШАРОВЫХ МЕЛЬНИЦАХ

 
Цель занятия: ознакомление с технологией производства металлических 
порошков в шаровых мельницах; расчет основных технологических 
параметров получения порошков.  

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ 

 
Измельчение дроблением, размолом или истиранием является 

старейшим методом перевода твердых материалов в порошкообразное 
состояние. Этот метод наиболее эффективен при производстве 
порошков хрупких металлов, сплавов и неметаллических соединений; 
размол пластичных металлов, таких как медь, алюминий, серебро, 
золото, затруднен. 

Простейшим аппаратом, используемым для получения тонких 

порошков, является шаровая мельница, представляющая собой металлический 
цилиндрический барабан, внутри которого находятся 
размольные тела, чаще всего стальные или твердосплавные шары, и 
измельчаемый материал.  

При измельчении комбинируют раздавливание и удар (при получении 
крупных частиц), истирание и удар (при тонком измельчении). 

Соотношение между дробящим и истирающим действием размольных 
тел в мельнице в значительной степени определяется отношением 
диаметра барабана D к его длине L. В мельницах одинакового 
объема при D/L > 3 преобладает дробящее действие размольных 
тел, что полезно для измельчения твердых и хрупких материалов, 
а при D/L ≤ 3 – истирающее, более эффективное при измельчении 
пластичных металлов. 

Значительное влияние на интенсивность и механизм размола ока-

зывают скорость вращения барабана мельницы, число и размер раз-
мольных тел, масса измельчаемого материала, продолжительность и 
среда размола.  

При вращении барабана с различными скоростями возможен раз-

личный характер движения шаров и, следовательно, различные ре-
жимы измельчения (рис.1.1). 

 

 

Рис. 1.1. Схемы движения шаров в мельнице: 

а – режим скольжения; б – режим перекатывания; в – режим свободного  

падения; г – движение шаров при критической скорости вращения 

 

При небольшой скорости вращения барабана происходит сколь-

жение шаров по поверхности вращающегося барабана (рис. 1.1, а). В 
этом случае материал истирается между внешней поверхностью 
массы шаров, которая ведёт себя как единое целое, и стенкой бара-
бана. Эффективность размола при этом мала. Такой режим часто 
применяется при смешивании разнородных материалов. 

При увеличении числа оборотов барабана шары поднимаются на 

некоторую высоту вместе с вращающейся стенкой барабана, за счет 
трения шаров о стенку, и затем скатываются по наклонной поверх-
ности массы шаров (рис. 1.1, б). Измельчение материала в этом слу-
чае происходит между поверхностями трущихся шаров. Интенсив-
ность истирания материала увеличивается. 

При ещё большем числе оборотов шары поднимаются на значи-

тельную высоту и падают вниз, производя дробящее действие, кото-
рое дополняет истирающее воздействие на материал (рис. 1.1, в). Это 
положение является наиболее интенсивным режимом размола. 

При дальнейшем увеличении вращения барабана центробежная 

сила возрастает, и шары начнут вращаться вместе с барабаном  
(рис. 1.1, г). При этом материал фактически не измельчается. Такая 
скорость вращения называется критической (vкp). Эту скорость не-
сложно оценить (рис. 1.2). 

Одиночный шар весом Р на поверхности барабана мельницы, 

вращающегося со скоростью v, м/с, в точке т будет находиться под 

действием центробежной силы, рав-
ной Рv2/gR, где g – ускорение сво-
бодного падения, м/с2; R – внутрен-
ний радиус барабана мельницы, м. 

При угле подъема α сила Р мо-

жет быть разложена на составляю-
щие, одна из которых направлена по 
радиусу и равна Рsin α, а другая – 
по касательной и равна Рсos α. 

Одиночный шар будет удержи-

ваться на стенке барабана до тех 
пор, пока (Рv2)/gR ≥ Рsin α, или 
(v2/gR) ≥ sin α. 

При критической скорости вращения nкр шар должен остаться на 

стенке барабана в момент прохождения через зенит, т.е. при α = 90°, 
Учитывая, что sin 90° = 1, получаем: 

Vкр2/gR = 1. 

При этом число оборотов барабана мельницы равно nкр, об/мин, а 

v = π D nкр /60, поэтому π2D2n2кр/602 = gD/2, где D – внутренний диа-
метр барабана мельницы, м. 

Отсюда находим nкр, об/мин: 

D
D

g
n
4.
42

2

60

кр.






. 
(1.1) 

Фактически при nкр шар еще не сможет в зените удержаться на 

стенке барабана мельницы вследствие своего скольжения относи-
тельно нее. 

На практике для измельчения материалов используют два основ-

ных режима работы шаровой мельницы: 

- режим интенсивного измельчения (скорость вращения барабана 

мельницы составляет 0,7–0,9 nкр); 

- режим «истирания» (скорость вращения барабана мельницы со-

ставляет 0,4–0,6 nкр). 

Первый режим применяется для получения крупных порошков, 

второй – для тонкого измельчения материала. Переход в тот или 

Рис. 1.2. Схема к расчету кри-
тической скорости вращения 
барабана шаровой мельницы

иной режим достигается изменением скорости вращения барабана 
мельницы.  

При получении материалов с размером частиц порядка одного 

микрометра размол путем создания ударных (дробящих) усилий 
становится малоэффективным, так как свободная энергия частиц 
подобного материала велика, а частота воздействий размольных тел 
на отдельные частицы мала. Возникающие микротрещины успевают 
релаксировать, и материал плохо поддается измельчению. 

В этом случае целесообразно перейти к режиму перекатывания 

шаров, при котором они не падают, а, поднимаясь по стенке вращающегося 
барабана, перемещаются внутри сегмента из размольных 
тел или перекатываются по его наклонной поверхности, истирая 
находящийся между ними материал. 

Оптимальный коэффициент заполнения барабана мельницы размольными 
телами (φ) составляет 0,4–0,5. При больших значениях φ 
шары сталкиваются друг с другом, теряя энергию, а при меньшей 
загрузке шаров резко снижается производительность мельницы.  

На процесс измельчения большое влияние оказывают масса шаров 
и ее отношение к массе измельчаемого материала. Чаще всего 
при измельчении металлических и неметаллических материалов используют 
стальные мелющие тела, в этом случае в мельницу загру-
жают 1,7–1,9 кг шаров на один литр ее рабочего объема. 

Количество загружаемого для размола материала должно быть 

таким, чтобы после начала измельчения его объем не превышал объема 
пустот (зазоров) между размольными телами. Если материала 
будет больше, то часть его, не вмещающаяся в зазоры, измельчается 
менее интенсивно. 

Обычно соотношение между массой размольных тел и массой 

измельчаемого материала составляет 2,5–3,0. При интенсивном измельчении 
это соотношение увеличивается до 6–12 и даже больше.  

Размер размольных тел (диаметр шаров) должен составлять  

5–6 % от внутреннего диаметра барабана мельницы. 

Процесс размола можно проводить в жидкой среде, которая препятствует 
распылению материала, слипанию тонких частиц, уменьшает 
трение между размольными телами и частицами измельчаемо-

го порошка. Проникшая в микротрещины жидкость в момент удара 
размольного тела по частице создает большое капиллярное давление, 
способствующее распространению микротрещин. Полезный 
эффект от размола в жидкости усиливается при добавлении в нее 
поверхностно-активных веществ (ПАВ). Жидкой средой обычно 
служат спирт, ацетон, вода, некоторые углеводороды. 

Количество жидкости должно быть таким, чтобы она достигала 

верхнего уровня размольных тел, находящихся в барабане мельни-
цы; обычно оно составляет 0,15–0,25 литра на один килограмм раз-
мольных тел. 

В общем случае предельный объем загружаемого в мельницу из-

мельчаемого материала можно определить, зная объем размольных 
тел. Известно, что объем свободного пространства (пустот) между 
размольными телами составляет около 50 %. Это и есть предельный 
объем измельчаемого материала. 

Длительность размола может составлять от нескольких часов до 

нескольких суток.  

Для шаровых вращающихся мельниц соотношение средних раз-

меров частиц порошка до и после измельчения, называемое степе-
нью измельчения, составляет 50–100.  

Форма частиц, получаемая в результате размола в шаровых вра-

щающихся мельницах, зависит от природы материала и продолжи-
тельности измельчения. Для хрупких неметаллических материалов 
характерна осколочная, неправильная форма частиц с острыми гра-
нями. 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 

 
1. Ознакомиться с теоретическим материалом.  
2. Исходя из технических характеристик шаровой мельницы, при-

веденных в таблице 1.1 (в соответствии с номером своего варианта), 

1) определить скоростные режимы крупного и тонкого помола 

материала;  

2) рассчитать массу и размер загружаемых в мельницу размоль-

ных шаров, предельный объем и массу измельчаемого материала 
(плотность материалов приведена в таблице 1.2); 

Таблица 1.1 

Технические характеристики шаровой мельницы 

Характеристика
Вариант

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

D, м
1,2
0,40
0,60
1,3
0,50
0,75
0,45
0,55
0,8
0,65

L/D
2
2,5
3,0
2,5
1,0
2,0
1,5
2,5
2,0
3,0

Измельчаемый 
материал
Al
SiO2 Al2O3
Cu
MgO SiO2 Al2O3 брон-

за
Al
SiO2

 

Продолжение табл. 1.1 

Характеристика
Вариант

11
12
13
14
15
16
17
18
19
20

D, м
1,25
0,40
0,60
1,3
0,50
0,75
0,45
0,95
0,8
1,15

L/D
2
1,5
2,0
2,5
2,2
2,0
1,5
2,5
2,0
3,0

Измельчаемый 
материал
Al
SiO2 Al2O3
Cu
MgO SiO2 Al2O3 бронза Al
SiO2

 

Окончание табл. 1.1 

Характеристика
Вариант

21
22
23
24
25
26
27
28
29
30

D, м
1,60
0,6
0,80
1,10
0,70
0,8
0,95
0,5
0,85
0,55

L/D
2,2
1,6
2,6
3,5
1,3
1,7
3,1
1,4
2,1
1,8

Измельчаемый 
материал

брон-

за
Al
SiO2 SiO2 Al2O3
Cu
MgO
Al
SiO2 Al2O3

Таблица .1.2 

Плотность материалов 

Материал
бронза
Al
SiO2
Al2O3
Fе
MgO

Плотность, г/см3
7.5–8,0
2,7
2,65
3,99
7,87
3,58

 

3) определить оптимальное количество жидкости для размола в 

жидкой среде. 

3. Результаты расчетов технологических параметров процесса 

измельчения представить в виде таблицы 1.3. 

Таблица 1.3 

Результаты расчетов технологических параметров 

измельчения материалов в шаровой мельнице 

mр.т., кг
mматер., 

кг
d, мм
W, л
n при грубом 
помоле, об/мин

n при тонком 
помоле, об/мин