Порошковая металлургия: определение, процессы и преимущества

Что такое порошковая металлургия?

Порошковая металлургия — термин, охватывающий широкий спектр способов изготовления материалов или компонентов из металлических порошков. Этот процесс позволяет избежать или значительно сократить необходимость механической обработки металла (удаления материала), тем самым резко снижая потери материала при производстве и часто снижая затраты.

Порошковая металлургия — процесс формовки металла, при котором уплотненные металлические порошки нагреваются до чуть ниже их температуры плавления. Хотя процесс существует более 100 лет, за последнюю четверть века он широко признан превосходным методом производства высококачественных деталей для множества важных применений.

Этот успех обусловлен преимуществами над другими технологиями формовки (ковкой, литьем): эффективностью использования материала, сложностью формы и контролем формы вблизи чистовой формы. Это способствует устойчивому развитию и делает порошковую металлургию признанной «зеленой технологией».

Процесс порошковой металлургии

Производственные технологии обычно включают все или большинство следующих этапов:

1. Получение металлического порошка
2. Смешивание и перемешивание
3. Уплотнение и формовка порошка
4. Синтерирование уплотненной заготовки для повыжения целостности и прочности

Иногда процесс дополняется вторичными операциями: калибровка, ковка, импреgnaция, горячая ковка и др.

1. Получение порошка

Почти все железные порошки для компонентов порошковой металлургии производятся либо спунжевым железом, либо водяной атомизацией. Порошки цветных металлов для других применений могут изготавливаться множеством процессов.

2. Смешивание порошков

Часто включает внесение легирующих добавок в виде элементарных порошков или прессовочного смазки.

3. Формовка смешанного порошка в уплотненную заготовку

Доминирующий процесс консолидации — прессовка в жесткий комплект инструментов: матрица, штампы, возможно ман드рин или стержни-сердцевинки. Существуют и другие процессы консолидации для нишевых применений.

4. Синтерирование уплотненной заготовки для повышения целостности и прочности

Нагрев материала, обычно в защитной атмосфере, до температуры ниже точки плавления основного компонента.

В некоторых случаях второстепенный компонент может образовать жидкую фазу при температуре синтерирования; такие случаи описываются как синтерирование с жидкой фазой. Механизмы твердофазного и жидкофазного синтерирования кратко обсуждаются в последующих разделах.

5. Вторичные операции

Применение финишных процессов к синтерированной детали. В порошковой металлургии такие процессы часто называются «вторичными операциями».

Преимущества процесса порошковой металлургии

• Минимизация механической обработки за счет производства деталей в чистовом размере или близком к нему
• Минимизация потерь отходов за счет использования обычно более 97% исходного сырья в готовой детали
• Возможность применения различных систем сплавов
• Получение хорошего качества поверхности
• Предоставление материалов, поддающихся термической обработке для повышения прочности или износостойкости
• Контролируемая пористость для само смазки или фильтрации
• Возможность создания сложных или уникальных форм, непрактичных или невозможных другими методами металлообработки
• Подходит для производства компонентов средних и больших объемов
• Обеспечивает долгосрочную надежность в критически важных приложениях

Часто задаваемые вопросы

Что понимают под порошковой металлургией?

Порошковая металлургия — процесс формовки металла, выполняемый нагревом уплотненных металлических порошков до чуть ниже их температур плавления.

Какой принцип порошковой металлургии?

Порошковая металлургия — высокоразвитый метод производства надежных компонентов чистовой формы (net-shaped) путем смешивания элементарных или предлегированных порошков, уплотнения этой смеси в матрице и синтерирования (нагревания) прессованной детали в контролируемой печной атмосфере для сплавления частиц.

Где применяется порошковая металлургия?

Подшипники и различные зубчатые детали — примеры применений в электроинструментах для DIY и бытовых «белых товарах». Металло-графитные угольные щетки широко используются в электродвигателях и генераторах бытовых приборов, автомобилей и электроинструментов.

Каковы преимущества порошковой металлургии?

Преимущества процесса:

• Минимизация механической обработки за счет производства деталей в чистовом размере или близком к нему.
• Минимизация потерь отходов за счет использования более 97% исходного сырья в готовой детали.
• Возможность широкого спектра систем сплавов.
• Получение хорошего качества поверхности.

Какие порошки используются в порошковой металлургии?

Металлические порошки, обычно используемые в производстве:

• Алюминиевый порошок.
• Висмутовый порошок.
• Оксид кадмия порошок.
• Гранулированная медь.
• Железный порошок.
• Марганцовый порошок.
• Никелевый порошок.
• Красный и черный оксид меди.

Что такое порошковая металлургия в керамике?

Базовая техника порошковой металлургии (PM) для изготовления керамических и металлических деталей включает четыре этапа: получение порошков из металлов или керамики, смешивание/перемешивание, прессование/консолидация и синтерирование/обжиг. Механический метод получения порошков из керамических материалов — фрезерование, уточняющее размер частиц.

Каково основное назначение прессования порошка?

Прессование порошка — уплотнение порошков в геометрическую форму. Обычно выполняется при комнатной температуре. Создается твердая деталь — «зеленая заготовка» (green compact). Прочность этой несинтерированной прессованной детали («зеленая прочность») зависит от сбиваемости; связующие могут использоваться для улучшения сбиваемости.

Как изготавливается порошковый металл?

Металлическая руда дробят и смешивают с другим материалом, обычно углеродом. После завершения смеси её пропускают через печь для реакции, снижающей кислород и углерод в порошке. Требуется руда относительно высокой чистоты для получения желаемого конечного продукта.

Насколько прочен порошковый металл?

Порошковые кованые стали могут обеспечивать высокие уровни прочности (предел прочности на разрыв до ~950 Н/мм² в кованом состоянии и 2050 Н/мм² после термообработки; предел текучести до ~650 Н/мм² в кованом и 1760 Н/мм² после термообработки) с более высокой пластичностью (5–18% относительное удлинение).

Чем порошковая металлургия отличается от литья?

В порошковой металлургии все металлы в порошковой форме. В литье металл нагревается выше температуры плавления, разливается в форму и остывает. Деталь затем механически обрабатывается для точности.

Является ли порошковая металлургия аддитивным производством?

Порошковая металлургия / аддитивное производство — элементный анализ металлических порошков и деталей, произведенных аддитивным производством. Неотъемлемая часть промышленной разработки продукта — изготовление прототипов и первичных образцов, будь то простой винт или сложная деталь самолета.

Какой недостаток порошковой металлургии?

Высокая стоимость инструментария и оборудования. Особенно ограничительно при малых объемах производства. Крупные или сложноформенные детали трудно произвести методом ПМ. Детали имеют более низкую пластичность и прочность, чем кованые.

Каковы недостатки порошковой металлургии?

Ограничения порошковой металлургии:

• Стоимость инструментария обычно высока и оправдана только в массовом производстве.
• Стоимость сырья очень высока.
• Механические свойства деталей ниже качества по сравнению с литыми или механически обработанными деталями.
• В некоторых случаях плотность разных участков конечного изделия может варьироваться из-за неравномерного уплотнения.

Что такое градация порошка в порошковой металлургии?

Марки мягкомагнитных материалов порошковой металлургии включают техническое железо, кремний-железо, кобальт-железо и недавно разработанные мягкомагнитные композиты, основанные на железистом порошке с подходящим связующим/изоляющим добавлением для разделения частиц железа после термической обработки.

Зачем проводится синтерирование?

Зачем нужно синтерирование и почему оно важно? Синтерирование придает материалу прочность и целостность, а также снижает пористость и повышает электрическую проводимость, прозрачность и теплопроводность.

Каковы четыре основных этапа порошковой металлургии?

Первый общий этап процесса ПМ — получение металлических порошков. Четыре основных процесса получения порошков: твердофазное восстановление, атомизация, электролиз и химический метод.

Что такое зеленая заготовка (green compact) в порошковой металлургии?

Порошковая металлургия (PM) занимается продуктами и процессами, использующими сырье в виде порошков, уплотняемых в требуемую форму и размер с помощью подходящих форм. Эти уплотненные порошки называются «зелеными заготовками» (Green Compacts).

Можно ли сварки порошковый металл?

Контактная проекционная сварка. Проекционная сварка часто используется для сварки деталей из порошкового металла из-за ограниченных деформаций процесса. Способна сваркивать как высокоуглеродистые детали из порошкового металла, так и закаленные поверхностно детали.

Как называется металлический порошок?

Металлы, которые можно найти в порошковой форме: алюминиевый порошок, никелевый порошок, железный порошок и многие другие.

Каковы характеристики порошковой металлургии?

Базовый атрибут порошковой металлургии — способность объединять материалы в порошковой форме, которые иначе нерастворимы. Это уникальное преимущество позволяет производить материалы трения, в которых медные и другие металлические порошки комбинируются с твердыми смазками, оксидами и другими соединениями.