Порошковая металлургия: полное руководство для инженеров

Порошковая металлургия — важный курс, который должны знать механические инженеры. Изделия из этого материала окружают нас, особенно автозапчасти. Порошковая металлургия — семейство производственных технологий для изготовления компонентов различных типов. Аббревиатура PM — термин, охватывающий широкий спектр способов изготовления материалов или компонентов из металлических порошков.

Что такое порошковая металлургия?

Производственный процесс для изготовления готовых или полуфабрикатов путем прессования металлического порошка в соответствующие штампы. Один из дешевейших методов, дающий высокое качество и прочность. Позволяет получать сложные формы с высокой точностью. Подходит для массового производства. Включает четыре основных этапа: подготовка порошка, смешивание и перемешивание, прессование, спекание. Все подробно описаны ниже.

Процесс существует более 100 лет, за последнюю четверть века стал превосходным методом производства качественных деталей для важных применений. Успех благодаря преимуществам над другими методами формирования металлов: ковка, литье. Преимущества: использование материала, сложность формы, близкий к готовому размер контроля размеров. Признана «зеленой технологией».

Позволяет изготавливать уникальные компоненты, невозможные плавлением или формовкой. Важный продукт — волфрамовый карбид (WC). Используется для резания и формовки других металлов, состоит из частиц WC, связанных кобальтом. В промышленности для инструментов разного типа, глобально ~50 000 т/год производится порошковой металлургией.

Применение порошковой металлургии

Автомобильное применение

~80% деталей порошковой металлургии — для автопрома. ~75% — для коробок передач (автоматические и механические) и деталей двигателя. Трансмиссия: части синхронизаторов, naves сцепления, компоненты переключения передач, несущие планетных шестерен, турбинные naves, сцепления, карманные пластины. Двигатель: шкивы, звездочки, naves (особенно системы распределительного ремня), втулки клапанов, седла клапанов, шейки ПМ для сборных распределительных валов, балансирные шестерни, крышки подшипников распредвала, датчики управления двигателем.

Другие автосистемы с деталями ПМ:

• Масляные насосы, особенно шестерни
• Амортизаторы: направляющие поршневых стержней, поршневые клапаны, концевые клапаны
• ABS: датчики колес
• Фланцы, боссы кислородных датчиков выхлопных систем
• Системы переменных фаз газораспределения
• Турбонаддувы
• Системы рециркуляции выхлопных газов (EGR)
• Кузовные компоненты
• Бесступенчатые вариаторы

Другие применения: аэрокосмическая, нефтегазовая, здравоохранение.

Кратко основные применения:

• Режущие инструменты: твердые сплавы (WC), керамические инструменты — продукты ПМ
• Электрические втулки из смеси Cu, Ag с графитом — продукты ПМ
• Сопла ракет и ракет
• Мелкие детали авто и бытовой техники, где способность производить форму, близкую к готовой, с минимальной механической обработкой, дает сильное экономическое преимущество
• Подшипники, втулки
• Магнитомягкие металлы (Fe, Fe-3Si) легко формируются в готовую форму ПМ

Процесс порошковой металлургии

Четыре базовых процесса:

Подготовка порошка

Материал должен быть превращен в порошок. Способы: распыление, помол, химическая реакция, электролиз.

Смешивание и перемешивание

Смешивание двух и более порошков для получения сплава высокой прочности. Зависит от требований к изделию. Обеспечивает равномерное распределение порошка с добавками, связующими. Для улучшения текучести порошка иногда добавляют смазки при перемешивании.

Прессование (компоновка)

Сжатие подготовленной порошковой смеси в заданные штампы. Прессование уменьшает поры, увеличивает плотность изделия. Порошок прессуется в форму под давлением, образуя «зеленый компакт» (green compact) — изделие, полученное прессованием. Давление 80–1600 МПа. Зависит от свойств порошка и связующих. Для мягких порошков ~100–350 МПа, для стали, железа — 400–700 МПа.

Спекание (синтеринг)

Зеленый компакт не достаточно прочен для готового изделия. Спекание — нагрев зеленого компакта при высокой температуре для получения прочного постоянного связывания. Процесс дает прочность зеленому компакту и превращает его в готовое изделие. Температура спекания ~70–90% температуры плавления металлического порошка.

Вторичные операции

Спеканный предмет более пористый, чем полностью плотный материал. Плотность зависит от мощности пресса, температуры спекания, давления прессования. Иногда высокая плотность не нужна — спеканный продукт используется как готовый. Но иногда нужна высокая плотность (подшипники). Вторичные операции для повышения плотности и точности размеров. Распространенные: калибровка, ковка, импреgnaция, горячая ковка, пропитка.

Типы процессов порошковой металлургии

Конвенциональная порошковая металлургия

Смешивание элементарных или легированных порошков, прессование смеси в штампе, спекание в печи с контролируемой атмосферой. Частицы металлургически связываются. Большинство деталей ПМ весят <5 фунтов (2,27 кг), хотя на конвенциональном оборудовании можно изготовить детали до 35 фунтов (15,89 кг). Детали типа втулки и подшипники — простые формы. Современные сложные ПМ-процессы дают сложные контуры и многоуровневые детали. Экономически эффективно.

Литье под давлением металлических порошков (MIM — Metal Injection Molding)

Возможность производства сложных форм в больших объемах. Тонкие металлические порошки <20 мкм. Специально сформулированы со связующим (термопласты, воска, др.) в фидсток. Фидсток закачивается в полость (множественные полости) обычной литейной машины под давлением. При извлечении «зеленого» компонента почти все связующее удаляется термической или растворительной обработкой. Остаток связующего удаляется при спекании в печи с контролируемой атмосферой.

Похоже на литье под давление пластиков и высокое давление литье металлов. Могут производить те же формы и особенности. Но ограничены относительно малыми (обычно <250 г), высокосложными деталями, иначе требующими обширной финишной обработки. Преимущества: механические свойства близкие к деформированным материалам. Технология точной формы с хорошим контролем допусков. Практически неограниченные формы и геометрические особенности. Высокая производительность через многокаверностную оснастку.

Изостатическое прессование

Популярный процесс формовки ПМ. Прикладает равное давление во всех направлениях на порошковой компакт. Достигается максимальная равномерность плотности и микроструктуры без геометрических ограниченийuniaxial прессования.

Может выполняться холодным или горячим. Холодное изостатическое прессование (CIP) — уплотнение зеленых деталей при комнатной температуре. Горячее (HIP) — полная консолидация при высоких температурах твердофазной диффузией. Горячее прессование также удаляет остаточную пористость из спеканной ПМ-детали.

Аддитивное производство металлов (Metal Additive Manufacturing)

AM, также 3D-печать. Потенциально меняет производство, время вывода на рынок, простоту компонентов и сборок. Не работает как конвенциональные/вычитающие процессы (токарная, сверловка), удаляющие материал. Аддитивное производство строит детали слой за слоем напрямую из цифровой модели.

Формы/штампы не используются — нет потерь материала и затрат. Долгое время использовалось для проектирования и прототипирования. Сейчас фокус смещается на прямое производство компонентов: детали авиадвигателей, медицинские импланты, ювелирные изделия.

Не единая технология/процесс. Все системы AM используют общий слой за слоем подход, но широкий спектр материалов, технологий, процессов.

Технологии AM с металлическими порошками:

• Лазерное спекание (LM/SLS/SLFS)
• Селективное струйное связывание (SIB)
• Электронно-лучевое плавление (EBM)
• Лазерное порошковое наплавление (LPF)
• Порошковые кровати (Powder bed process)
• Моделирование методом слоевого наплавления (FDM)/Экструзия

Преимущества и недостатки процесса порошковой металлургии

Преимущества

• Экономичность для массового производства: нет затрат на дальнейшую механическую обработку, труд и др.
• Не требуется высококвалифицированный оператор
• Некоторые сплавы можно произвести только технологией ПМ
• Биметаллические и слоистые изделия легко получаются этим методом
• Высокая производительность: 500–1000 деталей в час
• Сложные формы легко производятся

Недостатки

• Высокая стоимость оборудования
• Дорого для единичного производства
• Сложные конструкции трудно произвести из-за низкой текучести металлического порошка
• Нельзя произвести полностью равномерные плотные изделия
• Размеры изделий ограничены прессовальной мощностью
• Металлические порошки, способные к взрыву, нельзя использовать
• Трудно лить низкоплавкие металлы процессом ПМ
• Готовые изделия могут иметь низкие ударную вязкость и усталостные свойства

Заключение

Порошковая металлургия — процесс, облегчивший массовое производство деталей. Доступна давно, но развивается с ростом технологий. В статье: определение, типы, процесс, применение порошковой металлургии, преимущества и недостатки.