Технология получения порошковых материалов : практикум

Ю.А. Курганова

Технология получения  

порошковых материалов

Практикум

Федеральное государственное бюджетное  

образовательное учреждение высшего образования  

«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  

(национальный исследовательский университет)»

УДК 621.762
ББК 34.39я73
 
К93

Издание доступно в электронном виде по адресу 

://bmstu.press/catalog/item/7099

Факультет «Машиностроительные технологии»

Кафедра «Материаловедение»

Курганова, Ю. А.

К93  
Технология получения порошковых материалов : практикум / 

Ю. А. Курганова. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 
2020. — 29, [3] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-5580-5

Практикум включает четыре лабораторные работы, посвященные техноло-

гиям получения порошковых материалов: управлению формой и размером исходных 
порошков, оценке гранулометрического состава, а также исследованию 
свойств спеченных порошковых заготовок. Рассмотрены стандартные методы 
исследования и типовое оборудование.

Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 22.03.01 «Мате-

риаловедение и технологии материалов». Может быть полезно студентам всех 
технических специальностей, изучающим дисциплину «Материаловедение».

УДК 621.762
ББК 34.39я73

© Курганова Ю.А., 2020
© Оформление. Издательство 

ISBN 978-5-7038-5580-5 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020

https

Оглавление

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  4
Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  5
Лабораторная работа № 1. Управление формой частиц порошка  . . . . . . . . . . . .  6

Теоретическая часть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  6
Экспериментальная часть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  9
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Лабораторная работа № 2. Оценка насыпной плотности порошков . . . . . . . . . . 12

Теоретическая часть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Экспериментальная часть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Лабораторная работа № 3. Определение гранулометрического состава 

порошков. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Теоретическая часть  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Экспериментальная часть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Лабораторная работа № 4. Определение плотности и пористости 

порошковой заготовки после спекания  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Теоретическая часть  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Экспериментальная часть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Литература  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Приложения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

ПРЕДИСЛОВИЕ

Издание разработано в соответствии с программой обучения студентов 

по направлению подготовки 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов». 
Пособие предназначено в помощь студентам для самостоятельной 
подготовки к лабораторным работам по дисциплине «Технология получения 
порошковых материалов».

Практикум включает четыре работы, в ходе которых студенты запол-

няют рабочую тетрадь (приложения 1–4). Перед началом работы студенты 
должны ознакомиться с правилами безопасности (приложение 5).

В ходе лабораторных работ студенты ознакомятся с технологическим 

оборудованием и способами оценки формы и гранулометрического состава 
порошковых материалов, а также с оценкой основных технологических 
свойств исходных порошков и способами оценки плотности и пористости 
спеченных заготовок.

После выполнения лабораторных работ студенты смогут проводить 

стандартные и сертификационные испытания с использованием современных 
аналитических средств измерений, овладеют методами исследования и 
проведения экспериментальных работ, навыками оценки свойств различных 
порошковых материалов, работы с оборудованием и приборами.

Выполнение лабораторных работ позволит студентам приобрести про-

фессиональные компетенции в научно-исследовательской, производственной 
и проектно-технологической деятельности.

Практикум может быть полезен студентам всех технических специаль-

ностей, изучающим дисциплину «Материаловедение». 

Практикум издан при финансовой поддержке Российского фонда фунда-

ментальных исследований в рамках проекта № 20-53-53022.

ВВЕДЕНИЕ

Изделия, изготовленные методами порошковой металлургии, широко 

применяют в машино-, авиа-, ракетостроении и т. п. Получение порошковой 
заготовки состоит из следующих этапов: подготовка исходных порошков, 
смешивание, компактирование путем прессования, спекание. Финишным 
этапом при необходимости является механическая или иная обработка 
спеченной заготовки (рис. В1).

Подготовка включает выбор и обеспечение химического и фракционно-

го состава исходных порошков, а также их очистку от нежелательных примесей. 
Порошок может быть однокомпонентным (медным, железным, вольфрамовым 
и др.) или многокомпонентным (твердосплавным, стальным, 
бронзовым и др.).

Смешивание в заданных пропорциях сопровождается при необходимости 

либо дополнительным измельчением в мельницах различного типа и добавлением 
пластификаторов и других специальных компонентов, либо гранулированием 
в специальных приспособлениях.

Прессование проводят для получения полуфабриката заданной формы. 

Преимущественно его выполняют на прессах.

Спекание осуществляют в печах при повышенных температурах. Оно мо-

жет проходить с расплавлением или без расплавления одной из фаз.

При необходимости проводят дополнительную обработку готового из-

делия. Это может быть механическая, химико-термическая обработка или 
нанесение покрытий.

Свойства изделий, полученных порошковой металлургией, зависят от 

формы, размера, состава и свойств исходных порошков. Кроме того, на 
свойства изделий влияет технология формования. Поэтому необходимо вести 
контроль свойств как исходных компонентов, так и готового изделия.

Рис. В1. Схема получения порошковой заготовки

Лабораторная работа № 1

УПРАВЛЕНИЕ ФОРМОЙ ЧАСТИЦ ПОРОШКА

Цель работы — оценка влияния механического воздействия на характе-

ристики формы частиц порошка.

Теоретическая часть

Форма частиц порошка в основном зависит от способа их производства. 

Например, при распылении расплава образуются частицы порошка сферической 
или округлой формы. Пористые, губчатые порошки образуются 
в результате восстановления твердых оксидов или солей. Дендритная форма 
частиц типична для порошков, изготовленных электролизом. При измельчении 
твердых материалов в дробилках и шаровых мельницах образуются 
частицы осколочной формы, в вихревых мельницах — тарельчатой формы.

Форму частиц чаще всего оценивают по двум факторам — неравноос-

ности и развития поверхности.

Фактор неравноосности показывает отклонение формы частицы от 

сферической и численно определяется как отношение максимального lmax 
и минимального lmin размеров частицы (рис. 1.1). Этот фактор прежде все-

го влияет на однородность изделия, которое будет 
получено при спекании или прессовании. 
Наименьшее значение фактора неравноосности 
имеют частицы, близкие по форме к сферическим, — 
это частицы, полученные распылением, 
либо гранулы, полученные с помощью заливки 
расплава в воду.

Фактор развития поверхности отражает де-

фекты строения в выступах высокоразвитой поверхности 
частиц. Образование микропор с малыми 
радиусами кривизны на стенках таких частиц, 
оксиды, содержащиеся в большом количестве 
в мелких порошках и восстанавливающиеся при 
смешивании, способствуют диффузионной подвижности 
атомов, что улучшает спекаемость ча-

стиц между собой и ускоряет формирование монолитной детали, делает ее 
качество лучше. Численно фактор развития поверхности оценивается как 
отношение квадрата периметра частицы к ее площади. Высокоразвитой поверхностью 
обладают частицы осколочной формы.

Рис. 1.1. Максимальный  
и минимальный размеры  

частицы

Управление формой частиц порошка

Одним из важных параметров порошка является его удельная поверх-

ность. Она определяется как площадь поверхности, приходящаяся на единицу 
массы (м2/г) или объема (м2/м3).

Рис. 1.2. Типовые формы частиц порошка:

1 — сферическая; 2 — округлая; 3 — угловатая с криволинейными поверхностями;  
4 — угловатая с острыми углами и плоскими гранями; 5 — стержневая; 6 — игольчатая; 
7 — пластинчатая или чешуйчатая сферической, округлой или угловатой формы; 8 — пластинчатая 
или чешуйчатая брызгообразной формы; 9 — дендритная; 10 — губчатая с внутренними 
пустотами (со сквозными порами); 11 — пористая с внутренними пустотами 
(с закрытыми порами); 12 — полая с внутренними пустотами (с единичными пустотами 

площадью более 25 % площади проекции частицы)

Лабораторная работа № 1

В зависимости от метода измерения различают геометрическую и ад-

сорбционную удельные поверхности. Геометрическую удельную поверхность 
Sгеом частиц простой формы (шар, куб, призма) можно вычислить по известным 
математическим формулам. Значение Sгеом порошков со сложной формой 
частиц рассчитывают по измеренным с помощью микроскопа размерам 
отдельных участков ее поверхности.

На рис. 1.2 представлены типовые формы частиц по ГОСТ 25849–83 

и даны их оценочные критерии. 

Для упрощения все разнообразие форм приводят к наиболее характер-

ным (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Характерные формы частиц и их параметры

Форма
Геометрические параметры
Примеры материала

Сфера
a = 1, b = 1, c = 1
Нитрид бора, силикагель

Куб
a = 1, b = 1, c = 1
Кальцит, полевой шпат

Призма
a = 1, b = 1, c = 1,5–4,0
Оксид кремния, оксид бария

Волокно
a = 1, b = 1, c >10
Асбест, базальтовые, борные, 
углеродные волокна

Пластина
a = 1, b = 10–25, c = 10–25
Каолин, тальк, слюда, графит

На рис. 1.3 схематично представлены различные формы частиц в за-

висимости от двух параметров: сферичности (чем выше объект, тем выше 
сферичность) и округлости (чем правее объект, тем выше округлость). Для 
обеспечения компактной укладки частиц в объеме и хорошей текучести, которая 
необходима для подачи порошка, частицы должны обладать максимальной 
сферичностью и округлостью — это форма 13 на рис. 1.3.

Управление формой частиц порошка

Сферические частицы располагаются и упаковываются более компак-

тно, чем частицы нерегулярной формы, поэтому оценка характеристик формы 
является одной из основных в порошковой технологии.

Экспериментальная часть

Объект исследования
Порошковый материал заданного химического и гранулометрического 

состава с частицами определенной формы.

Используемое оборудование 
1. Для механического воздействия на порошок можно использовать ви-

брационный смеситель (рис. 1.4) или керамическую ступку (рис. 1.5).

2. Факторы формы исследуют с помощью оптического микроскопа 

(рис. 1.6).

Рис. 1.3. Схематичное представление форм частиц с присвоением  

кодировочного номера

Рис. 1.4. Вибрационный смеситель

Лабораторная работа № 1

Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с Правилами безопасности и поведения в лаборатории 

(см. приложение 5).

2. Получить у преподавателя образец порошка, занести в отчет по лабо-

раторной работе (далее «отчет», см. приложение 1) сведения об объекте.

3. Сделать фотографию с достаточным для исследования увеличением 

с помощью микроскопа или других средств (телефона, фотоаппарата).

4. Выполнить эскиз частицы по фотографии.
5. Измерить максимальный lmax и минимальный lmin размеры пяти ха-

рактерных частиц порошка. Рассчитать их средние значения как среднее 
арифметическое и записать в отчет.

6. Установить фактор развития поверхности путем присвоения кодиро-

вочного номера по схеме различия форм (см. рис. 1.3).

7. Спрогнозировать способ изготовления объекта исследования.

Рис. 1.6. Оптический микроскоп

Рис. 1.5. Керамическая ступка

Управление формой частиц порошка

8. Оценить геометрическую удельную поверхность Sгеом порошка, дан-

ные внести в таблицу «Результаты исследования» отчета.

9. Выполнить механическое воздействие (истирание) в течение 15 с, по-

вторить пп. 3–6 и 8, данные внести в таблицу отчета «Результаты исследования».


10. Выполнить механическое воздействие в течение 45 с, повторить 

пп. 3–6 и 8, данные внести в таблицу отчета «Результаты исследования».

11. Сопоставив данные таблицы «Результаты исследования», оценить 

влияние механического воздействия на изменение характеристик формы, 
сделать выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Что показывает фактор неравноосности?
2. Для чего определяют фактор развития поверхности?
3. Каким образом регулируют степень измельчения при механическом 

воздействии?

4. Какая форма порошка является предпочтительной с точки зрения 

укладки?

5. Как получают порошки сферической формы?