МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
(ДГТУ)
Порошковая металлургия и композиционные материалы
Курс лекций
Ростов-на-Дону
2014
Цель изучения курса «Порошковая металлургия и композиционные материалы» - ознакомление с теоретическими основами порошковой металлургии и применение полученных знаний на практике для контроля технологических режимов получения современного материала методами порошковой металлургии, создания новых материалов и изделий из них, разработки технологических процессов по получению порошков с заданными свойствами.
История развития порошковой металлургии. Классификация методов получения порошков
План лекции
Основные этапы развития порошковой металлургии.
Классификация методов получения порошков.
Основные этапы развития порошковой металлургии
Основным стимулом зарождения и развития Порошковой металлургии (ПМ) являлась и является в настоящее время потребность в новых материалах, невозможность их получения и обработки с помощью традиционных методов.
Порошковая металлургия, наряду с другими наукоемкими и энергосбе- регающими отраслями промышленности, является одним из основных направлений развития современного, высокоэффективного производства технологически развитых стран мирового сообщества.
История применения порошков металлов началась в глубокой древности, когда порошки золота, меди и бронзы применяли как краску для декоративных целей в керамике и живописи, используя их уникальные свойства. Еще в бронзовом веке люди умели получать и использовать некоторые виды порошков, а также применять горячую ковку порошковой массы. Этот опыт был использован около 5 тыс. лет назад для изготовления железных орудий труда и вооружения. На смену бронзовому веку пришел железный век.
Первые следы производства железа датируют 3000 г. до н. э., а найденные археологами стальные мечи относят к 2700 г. до н. э.
Изделия из железа, которое значительно более тугоплавко (температура плавления 1 539 оС), чем медь (температура плавления 1 083 оС), не могли быть получены литьем, так как вплоть до XIXв. не были известны способы создания необходимых для плавления железа высоких температур. В распоряжении металлургов в основном были температуры 1 000—1 100 оС, получаемые за счет горения древесины.
Позже стали использовать кричный метод и ковку заготовки в нагретом состоянии. Сначала в шахтных печах (домницах) при температуре порядка 1 100 оС восстановлением богатой или обогащенной окисленной руды железа древесным углем получали крицу (губчатую массу железа), а затем проковывали ее в нагретом состоянии.
Для уменьшения пористости откованное железо повторно нагревали в печи, а иногда и снова проковывали. Такое железо называли сварочным. В целом объем его производства достигал сотен тысяч пудов, обеспечивая потребности развивающегося земледелия в лемехах, мотыгах, серпах, косах, топорах и пр.
На территории нашей страны (Прикамье, Волжско-Окский бассейн) железо и изделия из него впервые были получены около 1000 г. до н. э. Через 500 лет эту технологию освоили и на территории Сибири, Алтая и Украины. Исследования археологов показывают, что в 950-1000 гг. в Киевской Руси, Рязани и Новгороде из железной крины изготовляли различные предметы быта, оружие и др.
Научные основы порошковой металлургии разработал в 1752-1763 гг. М.В. Ломоносов. Он описал, например, процессы получения порошкового свинца, способы перевода различных материалов в порошкообразное состояние, дал понятие спекания как операции перевода «порошкообразного тела, которому по желанию придана известная форма, в каменистое вещество».
В 1827 г. на торжественном собрании Ученого комитета по горной и соляной части (г. Санкт-Петербург) 21 марта 1827 г. выступил П.Г. Соболевский (1782-1841), сообщивший о создании им нового способа получения различных изделий из порошка платины. Им были продемонстрированы медали, жетоны, чаши, тигли, бруски массой до 2,4 кг, различные украшения, полученные путем прессования предварительно сформованной и нагретой до «белого каления» заготовки из губчатой платины. П.Г. Соболевский отмечал в своем докладе, что «от одного удара кружок платины вовсе изменяет вид свой; зернистое сложение его становится плотным и оный делается совершенно ковким. После обжатия кружки проковываются в полоски или прутки желаемого вида обыкновенным образом».
П.Г. Соболевский является основоположником широко распространенного в настоящее время направления в металлургии - порошковой металлургии.
Петр Григорьевич Соболевский родился в Петербурге в феврале 1782 г. в семье врача и ботаника Григория Федоровича Соболевского. Образование П.Г. Соболевский получил в Петербургском сухопутном кадетском корпусе, но почти сразу после его окончания он оставил военную службу и занялся решением сложных научно-технических проблем. Работая на Урале, П.Г. Соболевский прославил свое имя успешной инженерной и научной деятельностью в области осветительной техники (создал в 1811 г. «термоламп» - прибор для газового освещения и отопления), черной и цветной металлургии (усовершенствовал и внедрил в 1816 г. способ пудлингования чугуна), химической технологии, конструирования машин и судов (самодувные печи, обжимные молоты, безбалансирная паровая машина; в 1817 г. по Волге и Каме пошли первые пароходы, построенные по его проекту) и др. В 1825 г. П.Г. Соболевский по поручению Горного департамента приступил к решению проблемы платины, которую в то время не могли обрабатывать из-за высокой температуры плавления этого материала.
Именно с этим тугоплавким металлом (температура плавления 1 773 оС) связано зарождение порошковой металлургии.
Академик Петербургской академии наук, физик Н.П. Щеглов (17931831) отметил: «Все почти европейские знаменитости химии в течение семидесяти лет старались найти простейший способ отделить чистую платину от сопровождающих ее обыкновенно в природе других минералов и приводить в ковкое состояние, но доселе усилия их были безуспешны».
Платина была известна еще в древности, а ее разработка началась в XVIII в. в Колумбии. В России проблема получения платиновых изделий стала актуальной лишь в начале XIXв. На Урале сначала были открыты ее месторождения в виде спутника золота (1819 г.), а затем богатейшие в мире запасы чистой платиновой россыпи (1825 г.), причем только за один 1825 г. добыча платины в России составила 110 пудов (в Америке с 1741 по 1825 гг. было добыто 65-70 пудов).
П.Г. Соболевскому было поручено построить и возглавить Соединенную лабораторию Горного кадетского корпуса, явившуюся первым в России химико-металлургическим центром. Именно здесь П.Г. Соболевский при участии помогавшего ему химика В.В. Любарского (1795-1852) в течение 1826 г. создал новый способ получения платиновых изделий, названный затем порошковой металлургией.
С использованием способа, разработанного П.Г. Соболевским, с 1828 г. налажена массовая чеканка платиновых монет достоинством 3, 6 и 12 руб. на серебро, продолжавшаяся до 1845 г. (всего за 18 лет было выпущено монет на сумму более четырех миллионов рублей), которая и стала первым промышленным применением порошковой металлургии.
Однако после смерти П.Г. Соболевского чеканка платиновых монет вскоре была прекращена, добыча платины заметно сократилась, появились печи с кислородно-водородным пламенем (что позволило развивать температуры более 1 800 оС).
До начала ХХ в. сохранялось лишь эпизодическое применение металлических порошков для различных целей (свинцовых порошков в аккумуляторах, железных - в химических производствах и пр.).
Возрождение интереса к порошковой металлургии было прежде всего связано с необходимостью удовлетворения потребностей быстро развивавшейся электротехники. Электроламповой промышленности были нужны тугоплавкие материалы для нитей ламп накаливания.
В 1900 г. наш соотечественник А.Н. Ладыгин на Всемирной Парижской выставке демонстрировал электрическую лампочку с телом накала из вольфрамовой проволоки, полученной методом порошковой металлургии.
Решение этих и других технических задач послужило мощным толчком к налаживанию производства порошковых самосмазывающихся подшипников, твердых сплавов, магнитных, электроконтактных и конструкционных материалов, а также многих других видов продукции.
В 30-е годы были не только отмечены работами в направлении развития промышленности ПМ, но и посвящены созданию ее теории. Пионером в этой области считается М.Ю. Бальшин, опубликовавший, начиная с 1938 г., ряд монографий ставших классическими, на которых воспитывались последующие поколения порошковиков.
После Великой Отечественной войны резко расширилась сфера использования продукции ПМ. С именем Г.В. Самсонова связаны исследования боридов, нитридов и других соединений. Вместе с М.С. Ковальченко он издал первую монографию по горячему прессованию порошков.
К началу 1950-х гг. мировое ежегодное производство металлических порошков, материалов и изделий из них составляло примерно несколько десятков тысяч тонн. Началось быстрое развитие порошковой металлургии, связанное с созданием крупных специализированных производств порошков и изделий из них.
В последующие тридцать лет темпы роста продукции порошковой металлургии в разных странах в среднем составляли 6-10 %, достигая в отдельные периоды 15-20 % (США, ФРГ, Япония и др.).
Центром ПМ стал Институт проблем материаловедения (ИПМ) АН Украины, выросший в крупнейшую научно-исследовательскую организацию на базе созданной в 50-х годах И.Н. Францевичем лаборатории металлокерамики. Из ученых киевской школы следует отметить Г.А. Виноградова, Д.М. Карпиноса, И.Д. Радомысельского, В.В. Скорохода, В.И. Трефилова, И.М. Федорченко и многих других. В Москве лидером многие годы являлся С.С. Кипарисов. С именем Б.С. Митина связано открытие в стране специальности «Порошковая металлургия и напыленные покрытия». Крупные работы велись также в МИСИСе, ЦНИИчермете, ВИЛСе и других организациях.
Получили развитие работы и в других регионах страны: Минске (О.В. Роман, Г.М. Жданович, П.А. Витязь, Е.А. Дорошкевич), Ленинграде (С.С. Ермакеов), Перми (В.Н. Анциферов), Ереване (Н.В. Манукян) и т.д.
В Новочеркасском Государственном Техническом Университете на базе работ, проводимых с середины 50-х годов по созданию методов использования металлической стружки, в 60-х годах была начата разработка нового направления в порошковой металлургии – горячей обработки давлением пористых порошковых заготовок, существенно расширившей возможности этой прогрессивной области науки и техники. Сотрудники университета вносили определенный вклад в работу ряда международных и отечественных организаций, в выполнение комплексных научно-технических программ, организацию и проведение конференций, симпозиумов.
В середине 1980-х гг. было реализовано металлических порошков и изделий из них в мире на пять миллиардов долларов, в том числе в США более чем на один миллиард долларов. По оценкам экспертов, ежегодный прирост объема реализации изделий из порошков составляет не менее 5-7 %.
Мировое производство металлических порошков в настоящее время превышает один миллион тонн, а изделий из них - 650-750 тыс. т. В ближайшее десятилетие можно ожидать увеличения производства в 1,5-2 раза.
Основные направления развития порошковой металлургии связаны прежде всего с преодолением затруднений в осуществлении литья тугоплавких металлов и изделий со специфическими свойствами (дисперсно- упрочненных, фрикционных, антифрикционных, износостойких, высокопористых и других материалов).
Изготовление порошковых изделий взамен полученных из литых металлов позволяет значительно (60-70 %) снизить потери металла, количество обрабатывающего оборудования и обслуживающего его рабочего персона, а также энергозатраты на производство единицы продукции.
Начавшееся в 1950-е гг. быстрое развитие технологий порошковой металлургии обусловило необходимость унификации понятий в этой специфической области знаний.
В 1947 г. для разработки международных стандартов, задачей которых являлось облегчение международного товарооборота и расширение сотрудничества в области интеллектуальной, научной, технической и экономической деятельности, двадцатью пятью странами была создана Международная организация по стандартизации (InternationalOrganizationforStandardization- ISO). В настоящее время насчитывается уже более 100 участников - стран мира этой организации. В составе ISOв 1966 г. был создан технический комитет 119, занимающийся стандартизацией в области порошковой металлургии (ИСО/ТК 119 «Порошковая металлургия, с секретариатом в Швеции»). Россия входит в состав 13 активных членов технического комитета.
В настоящее время в РФ действует ГОСТ 17359-82 «Порошковая металлургия. Термины и определения», разработанный на основе Международного стандарта ИСО 3252.
Классификация методов получения порошков
Металлический порошок - совокупность частиц металла, сплава или металлоподобного соединения размерами до миллиметра, находящихся во взаимном контакте и не связанных между собой.
В современной промышленности трудно указать отрасль, в которой не применяются те или иные материалы и изделия, полученные методами порошковой металлургии (ПМ). Широкое практическое применение изделий из магнитных материалов стимулирует интенсивные исследования по разработке новых и совершенствованию существующих технологий изготовления порошков и изделий из них.
В настоящее время важнейшей задачей отрасли порошковой металлургии является осуществление научно обоснованного подхода к конструированию порошковых материалов и изделий из них, а также разработка рациональных, ресурсосберегающих технологий.
Металлические порошки - основа порошковой металлургии, технология которой начинается с их получения. Метод производства и природа соответствующего металла, сплава или металлоподобного соединения определяют химические (содержание основного металла, примесей и загрязнений, пи- рофорность и токсичность), физические (форма, размер, удельная поверхность, плотность и микротвердость частиц) и технологические (угол естественного откоса, насыпная плотность, плотность утряски, текучесть, уплотняемость, прессуемость и формуемость порошка) свойства получаемого металлического порошка.
Знание технологических характеристик позволяет в сочетании с известными физическими свойствами оценить поведение порошков при компактировании, его давление, скорость заполнения пресс-формы, ее размеры и др. Примером такой характеристики является склонность порошков к образованию агрегатов и налипанию на стенки пресс-форм, коротая обусловлена аутогезионным и адгезионным взаимодействием.
Часто свойства порошка одного и того же металла существенно изменяются в зависимости от метода производства. Порошки, идентичные по химическому составу, могут иметь разные физическо-технологические характеристики, что приводит к значительным изменениям условий дальнейшего превращения порошка в готовые изделия и влияет на их свойства. Разнообразие требований, предъявляемых к порошкам в зависимости от области их применения, а также свойства (природа) самих металлов объясняют существование большого числа различных методов производства металлических порошков.
Общепринятым является условное деление этих методов на физико- химические и механические (табл. 1.1).
К
|
