Общая характеристика порошковых материалов

Производство порошковых материалов развивается в связи с рядом их преимуществ по сравнению с металлическими материалами, получаемыми плавлением. Путём плавления трудно или даже невозможно производить материалы с некоторыми особенностями свойств и состава: композиции из металлических и неметаллических материалов и псевдосплавы из компонентов, не смешивающихся в жидком виде (Fe-Pb, W-Cu и др.); пористые металлы и материалы (самосмазывающиеся подшипники, например). Их можно изготовить только способами порошковой металлургии. Путём спекания получают сразу готовые изделия, не требующие дальнейшей обработки резанием. Спечённые материалы в ряде случаев имеют более высокий уровень свойств, чем аналогичные материалы, получаемые плавлением (например, некоторые быстрорежущие и твёрдые материалы, жаропрочные сплавы, бериллий и др.).

Порошковые материалы классифицируют:

• — по назначению (жаропрочные, коррозионностойкие, магнитные, антифрикционные, контактные, фрикционные и др.);
• — по плотности (плотные, пористые);
• — по химическому составу (чистые материалы, сплавы) по технологии получения (спечённые, компактированные).

Порошковые материалы из железа, углеродистой, легированной и нержавеющей сталей, бронзы, латуни, меди и других металлов и сплавов применяют для изготовления различных деталей машин и приборов.

Повышение механических свойств (прочности, твердости, пластичности) деталей из порошковых материалов достигается применением легированных порошков, а также термической или химико-термической обработкой.

Большинство деталей машин делают из компактных материалов на железной и железомедной основе. Железомедные спеченные сплавы обладают высокой прочностью, износостойкостью и вязкостью. Из порошковых сплавов на основе меди широкое применение получили латунные порошки для изготовления беспористых подшипников. Сюда же относятся сплавы на алюминиевой основе типа САП и САС.

К порошковым материалам со специальными свойствами относятся: антифрикционные, фрикционные, пористые, магнитные, вакуумные, контактные и др.

Из антифрикционных материалов изготавливают пористые подшипники скольжения и биметаллические вкладыши. Фрикционные материалы должны иметь стабильный коэффициент трения, быть достаточно прочными, иметь хорошую прирабатываемость, обладать высокой теплопроводностью и коррозионной стойкостью. Пористые материалы широко применяют для изготовления металлических фильтров из порошков железа, меди, латуни, бронзы, алюминия. Эти материалы служат для изготовления деталей, работающих при высоких температурах (лопатки газовых турбин), их также используют для токосъемников, электродов аккумуляторов, горелок.

Методами порошковой металлургии получают твердые магнитные материалы (постоянные магниты), мягкие магнитные материалы и магнитодиэлектрики.

Металлокерамические контактные материалы по своему составу являются псевдосплавами металлов, обладающих высокой прочностью и тугоплавкостью (W, Мо и др.), с металлами, имеющими высокую электропроводность (Аl, Сu и др.). Для мощных воздушных выключателей применяют контакты на основе карбида вольфрама, а для щеток и коллекторных пластин — медно-графитовые композиции.

Вакуумные порошковые материалы применяют для изготовления ламп накаливания, рентгеновских трубок, катодных ламп, выпрямителей. Они должны обладать высокой механической прочностью, химической инертностью, небольшим коэффициентом линейного расширения, малой распыляемостью. Таким требованиям отвечают тугоплавкие металлы (W, Мо, Та), а также железо высокой чистоты и его сплавы с никелем, молибденом, кобальтом и медью.

Первые спечённые материалы — это платиновые изделия и полуфабрикаты (чаши, тигли, медали) были изготовлены П. Г. Соболевским и В. В. Любарским в 1826 г. На рубеже XIX — XX веков были изготовлены тугоплавкие спечённые материалы, напримермер, вольфрам, получение которого плавлением (Тпл.=3680К) было тогда невозможно. Первые композиты из спечённых материалов, которые можно получать только порошковой металлургией были изготовлены в 1900 г. Это композит медь — графит для щёток генераторов и электродвигателей). Во время I мировой войны были разработаны магнитодиэлектрики на основе ферромагнитных металлических порошков, распределённых в диэлектрической связке. В начале 30-х годов XX века начали выпускать спечённые твёрдые сплавы на основе систем вольфрам — медь, серебро — графит и др. композиции из спечённых материалов на основе Cu — Sn, Pb, Zn с добавками неметаллических компонентов (обычно SiO2) для фрикционных дисков.

Важная группа порошковых материалов, получаемых только методами порошковой металлургии — это пористые металлы, сплавы и композиции на основе железа, железографита, бронзы и нержавеющей стали.

В дальнейшем производство пористых спечённых материалов непрерывно прогрессировало, и на их основе стали получать: металлические фильтры для тонкой очистки жидкостей и газов; снарядные пояски из пористого железа, заменявшие медные во время II мировой войны; порошковые материалы для топливных элементов; порошковые материалы для антиобледенителей в самолётах; пламегасители во взрывоопасной атмосфере; порошковые материалы для химических реакций; порошковые материалы для транспорта сыпучих материалов в «кипящем» слое и др.

Последняя по времени возникновения группа спечённых материалов — это высококачественные спечённые материалы, которые по свойствам (прочность, жаропрочность, износостойкость и др.) превосходят литые сплавы аналогичного состава и назначения (у литых сплавов крупнее зерно и есть ликвация). Получены жаростойкие спечённые материалы на основе Ni-Mo, Ni-Cr, Ni-Mo-Cr.

Производство спечённых материалов развивается более высокими темпами, чем получение плавленых металлических материалов, так с 1964 по 1972 годы выпуск спечённых материалов в США возрос в 2,5 раза, а в Японии в 4 раза.

Имеются следующие ограничения по применению спечённых материалов:

наибольший экономический эффект возможен лишь при достаточно массовом выпуске деталей;

высокая стоимость исходных порошков;

необходимость получения достаточно чистых по примесям исходных порошков, особенно железа и его сплавов, так как спечённые материалы не могут быть эффективно очищены от примесей, находящихся в исходных материалах.

Последнее ограничение постепенно теряет своё значение ввиду расширения производства порошков методом распыления расплава железа.