Порошковая металлургия ( ПМ ) — это термин, охватывающий широкий спектр способов, с помощью которых материалы или компоненты изготавливаются из металлических порошков . Процессы ПМ иногда используются для уменьшения или устранения необходимости в субтрактивных процессах в производстве, что снижает потери материала и снижает стоимость конечного продукта. [1] Это особенно часто происходит с небольшими металлическими деталями, такими как шестерни для небольших машин. [1] Некоторые пористые изделия, позволяющие жидкости или газу проникать в них, производятся таким образом. [1] Они также используются, когда плавление материала нецелесообразно из-за его высокой температуры плавления или сплава двух взаимно нерастворимых материалов, таких как смесь меди и графита. [1]
Таким образом, порошковая металлургия может использоваться для создания уникальных материалов, которые невозможно получить путем плавки или формовки другими способами. [1] Очень важным продуктом этого типа является карбид вольфрама . [1] Карбид вольфрама используется для резки и формовки других металлов и производится из частиц карбида вольфрама, связанных с кобальтом. [2] Карбид вольфрама является крупнейшим и наиболее важным применением вольфрама , [3] потребляя около 50% мировых поставок. [4] Другие продукты включают спеченные фильтры, пористые подшипники, пропитанные маслом, электрические контакты и алмазные инструменты.
Методы порошковой металлургии обычно состоят из сжатия порошка и нагревания (спекания) его при температуре ниже точки плавления металла для связывания частиц вместе. [1] Порошок для процессов может быть получен несколькими способами, включая восстановление металлических соединений, [1] электролиз металлсодержащих растворов, [1] и механическое дробление, [1] а также более сложными методами, включая различные способы фрагментации жидкого металла на капли и конденсацию из паров металла. Уплотнение обычно выполняется с помощью штамповочного пресса, но также может быть выполнено с помощью взрывных ударов или помещения гибкого контейнера в газ или жидкость под высоким давлением. Спекание обычно выполняется в специальной печи, но также может выполняться совместно с компрессией (горячее изостатическое сжатие) или с использованием электрических токов.
С появлением в 2010-х годах промышленных масштабов аддитивного производства на основе металлических порошков селективное лазерное спекание и другие процессы аддитивного производства металлов стали новой категорией коммерчески важных приложений порошковой металлургии.
Процесс порошковой металлургии «прессование и спекание» обычно состоит из трех основных этапов: смешивание порошков (или измельчение), прессование в пресс -форме и спекание . Прессование порошка в пресс-форме обычно выполняется при комнатной температуре. Спекание — это процесс связывания материала вместе с помощью тепла без его разжижения. Обычно оно проводится при атмосферном давлении и в тщательно контролируемом составе атмосферы. Для получения специальных свойств или повышенной точности часто следует вторичная обработка, такая как чеканка или термическая обработка . [5]
Одним из старых таких методов является процесс смешивания тонкодисперсных (<180 микрон) металлических порошков с добавками, прессование их в матрицу желаемой формы, а затем спекание сжатого материала вместе в контролируемой атмосфере. Металлический порошок обычно представляет собой железо, а добавки включают смазочный воск, углерод , медь и/или никель . Это позволяет получать точные детали, обычно очень близкие к размерам матрицы, но с пористостью 5–15% и, таким образом, со свойствами полудеформированной стали. Этот метод до сих пор используется для производства около 1 Мт/год структурных компонентов из сплавов на основе железа. [ требуется цитата ]
За последние пятьдесят лет было разработано несколько других процессов ПМ. К ним относятся:
История порошковой металлургии и искусство спекания металлов и керамики тесно связаны друг с другом. Спекание подразумевает производство твердого цельного металла или керамического изделия из исходного порошка. Древние инки изготавливали ювелирные изделия и другие артефакты из порошков драгоценных металлов, хотя массовое производство изделий из порошков началось только в середине или конце 19 века. В этих ранних производственных операциях железо извлекалось вручную из металлической губки после восстановления, а затем повторно вводилось в виде порошка для окончательной плавки или спекания. [12]
Гораздо более широкий спектр продуктов может быть получен из порошковых процессов, чем из прямого сплавления расплавленных материалов. В операциях плавки « правило фаз » применяется ко всем чистым и комбинированным элементам и строго диктует распределение жидких и твердых фаз , которые могут существовать для определенных составов. Кроме того, для сплавления требуется полное расплавление исходных материалов, что накладывает нежелательные химические, термические и сдерживающие ограничения на производство. К сожалению, обращение с алюминиевыми/железными порошками создает серьезные проблемы. [12] [13] Другие вещества, которые особенно реагируют с кислородом воздуха, такие как олово , спекаются в специальных атмосферах или с временными покрытиями. [12] [14]
В порошковой металлургии или керамике можно изготавливать компоненты, которые в противном случае разложились бы или распались. Все соображения об изменениях твердой и жидкой фаз можно игнорировать, поэтому порошковые процессы более гибкие, чем методы литья , экструзии или ковки . [12] Контролируемые характеристики продуктов, полученных с использованием различных порошковых технологий, включают механические, магнитные, [12] [15] и другие нетрадиционные свойства таких материалов, как пористые твердые тела, агрегаты и интерметаллические соединения. [12] Конкурентные характеристики производственной обработки (например, износ инструмента, сложность или варианты поставщиков) также могут тщательно контролироваться. [12]
Многие специальные продукты возможны с технологией порошковой металлургии. Неполный список включает в себя нитевидные кристаллы Al 2 O 3 , покрытые очень тонкими слоями оксида для улучшения рефракции; железные прессовки с покрытиями Al 2 O 3 для улучшения сопротивления ползучести при высоких температурах; нити лампочек, изготовленные с помощью порошковой технологии; накладки для фрикционных тормозов; металлические стекла для высокопрочных пленок и лент; тепловые экраны для возвращения космических аппаратов в атмосферу Земли; электрические контакты для обработки больших токов; магниты ; микроволновые ферриты ; фильтры для газов; и подшипники , которые могут быть пропитаны смазочными материалами . [12]
Очень тонкие пленки и крошечные сферы демонстрируют высокую прочность. Одним из применений этого наблюдения является покрытие хрупких материалов в форме усов субмикрометровой пленкой гораздо более мягкого металла (например, вольфрама, покрытого кобальтом ). Поверхностная деформация тонкого слоя подвергает более твердый металл сжатию, так что когда весь композит спекается, прочность на разрыв заметно увеличивается. При использовании этого метода были получены прочности порядка 2,8 ГПа против 550 МПа для, соответственно, покрытых (25% кобальта) и непокрытых карбидов вольфрама . [12]
Любой плавкий материал может быть распылен. [12] Было разработано несколько методов, которые позволяют производить большие объемы порошкообразных частиц, часто со значительным контролем над диапазонами размеров конечной популяции зерен. [12] Порошки могут быть получены путем дробления, измельчения, химических реакций или электролитического осаждения. [12] Наиболее часто используемые порошки - это материалы на основе меди и железа. [16]
Порошки элементов титана, ванадия, тория, ниобия, тантала, кальция и урана были получены путем высокотемпературного восстановления соответствующих нитридов и карбидов . Железные, никель, урановые и субмикрометровые порошки бериллия получаются путем восстановления металлических оксалатов и формиатов . Чрезвычайно мелкие частицы также были получены путем направления потока расплавленного металла через высокотемпературную плазменную струю или пламя , распыляя материал. Различные химические и связанные с пламенем процессы порошкования частично приняты для предотвращения серьезной деградации поверхностей частиц кислородом воздуха. [12]
Порошок может быть получен путем распыления газом или водой, [17] центробежного распыления, [12] химического восстановления дисперсных соединений, [17] электролитического осаждения в соответствующих условиях, [17] простого измельчения и измельчения, [17] термического разложения дисперсных гидридов или карбонилов, [17] осаждения из раствора, [17] а также конденсации из испаренного металла. [17]
Распыление осуществляется путем принудительного пропускания потока расплавленного металла через отверстие при умеренном давлении. [12] Газ вводится в поток металла непосредственно перед тем, как он покидает сопло, что создает турбулентность, поскольку вовлеченный газ расширяется (из-за нагрева) и выходит в большой объем сбора снаружи отверстия. [12] Объем сбора заполняется газом для содействия дальнейшей турбулентности струи расплавленного металла. [12] Потоки воздуха и порошка разделяются с помощью гравитации или циклонного разделения . [12]
Доступны простые методы распыления, при которых жидкий металл продавливается через отверстие с достаточно высокой скоростью, чтобы обеспечить турбулентный поток. Обычным используемым показателем производительности является число Рейнольдса . При низком Re струя жидкости колеблется, но при более высоких скоростях поток становится турбулентным и распадается на капли. Энергия накачки применяется к образованию капель с очень низкой эффективностью (порядка1% ), а контроль над распределением размеров получаемых металлических частиц довольно слабый. Другие методы, такие как вибрация сопла, асимметрия сопла, множественные соударения потоков или впрыск расплавленного металла в окружающий газ, доступны для повышения эффективности распыления, получения более мелких зерен и сужения распределения размеров частиц. К сожалению, трудно выбрасывать металлы через отверстия диаметром менее нескольких миллиметров, что на практике ограничивает минимальный размер частиц порошка примерно10 мкм . Распыление также приводит к широкому спектру размеров частиц, что требует последующей классификации путем просеивания и переплавки значительной части границ зерен. [12]
Центробежная дезинтеграция расплавленных частиц предлагает один из способов решения этих проблем. Имеется обширный опыт работы с железом, сталью и алюминием. Металл, который должен быть измельчен, формируется в стержень, который вводится в камеру через быстро вращающийся шпиндель. Напротив кончика шпинделя находится электрод, от которого создается дуга, нагревающая металлический стержень. По мере того, как материал кончика плавится, быстрое вращение стержня отбрасывает крошечные капли расплава, которые затвердевают перед ударом о стенки камеры. Циркулирующий газ выметает частицы из камеры. Подобные методы можно использовать в космосе или на Луне. Стенку камеры можно вращать, чтобы направлять новые порошки в удаленные сосуды для сбора, а электрод можно заменить солнечным зеркалом, сфокусированным на конце стержня. [12]
Альтернативный подход, способный производить очень узкое распределение размеров зерен, но с низкой пропускной способностью, состоит из быстро вращающейся чаши, нагретой до температуры, значительно превышающей температуру плавления материала, который нужно измельчить. Жидкий металл, вводимый на поверхность чаши около центра со скоростью потока, отрегулированной так, чтобы тонкая металлическая пленка равномерно скользила по стенкам и через край, распадается на капли, каждая приблизительно такой же толщины, как пленка. [12]
Другая технология производства порошка включает в себя тонкую струю жидкого металла, пересекаемую высокоскоростными потоками распыленной воды, которые разбивают струю на капли и охлаждают порошок до того, как он достигнет дна бункера. В последующих операциях порошок высушивается. [12] Это называется распылением водой. [17] Распыление водой охлаждает и затвердевает частицы металла быстрее, чем распыление газом. [17] Поскольку скорость затвердевания обратно пропорциональна размеру частиц, с помощью распыления водой можно изготавливать более мелкие частицы. [ необходима цитата ] Чем меньше частицы, тем более однородной будет микроструктура. [ необходима цитата ] Частицы, полученные таким образом, также будут иметь более неправильную форму [17], а распределение размеров частиц будет шире. [ необходима цитата ] Кроме того, некоторое загрязнение поверхности может происходить из-за образования окислительной пленки. [ необходима цитата ] Порошок можно измельчить с помощью какой-либо предварительной обработки консолидации, такой как отжиг, используемый для изготовления керамических инструментов. [ необходима цитата ]
Компактирование порошка, один из важнейших этапов в процессах порошковой металлургии, представляет собой процесс уплотнения металлического порошка посредством применения высокого давления. [18] Большая часть уплотнения порошка выполняется с помощью механических прессов и жестких инструментов, но также могут использоваться гидравлические и пневматические методы, а также методы, которые сочетают уплотнение со спеканием, такие как горячее изостатическое уплотнение. [18] Также используются традиционные процессы обработки металлов давлением, включая прокатку, ковку, экструзию и штамповку. [18]
Плотность уплотненного порошка увеличивается с величиной приложенного давления. Типичные давления находятся в диапазоне от 80 до 1000 фунтов на кв. дюйм (от 0,5 до 7 МПа), были получены давления от 1000 до 1 000 000 фунтов на кв. дюйм. Давление от 10 т/дюйм2 до 50 т/ дюйм2 (от 150 до 700 МПа) обычно используется для уплотнения металлического порошка. Чтобы достичь одинаковой степени сжатия по компоненту с более чем одним уровнем или высотой, необходимо работать с несколькими нижними пуансонами. Цилиндрическая заготовка изготавливается с помощью одноуровневой оснастки. Более сложная форма может быть изготовлена с помощью обычной многоуровневой оснастки. [ необходима цитата ]
Доминирующей технологией формования изделий из порошковых материалов, как по тоннажу, так и по количеству произведенных деталей, является прессование под давлением. На рынке имеются механические, сервоэлектрические и гидравлические прессы, при этом наибольшая производительность порошка обрабатывается гидравлическими прессами. Эта технология формования включает в себя производственный цикл ниже, который предлагает легко автоматизированный и высокопроизводительный процесс: [ необходима цитата ]
Обычно инструменты удерживаются в вертикальной ориентации, а пуансон образует дно полости. [19] Вероятно, самое основное соображение — это возможность извлечения детали из матрицы после ее прессования, а также избежание острых углов в конструкции. Рекомендуется поддерживать максимальную площадь поверхности менее 20 квадратных дюймов (0,013 м 2 ) и соотношение высоты к диаметру менее 7 к 1. Наряду с наличием стенок толще 0,08 дюйма (2,0 мм) и сохранением соотношения толщины смежных стенок менее 2,5 к 1. [19]
Одним из главных преимуществ этого процесса является его способность производить сложные геометрии. Детали с поднутрениями и резьбой требуют вторичной механической обработки. Типичные размеры деталей варьируются от 0,1 квадратных дюймов (0,65 см 2 ) до 20 квадратных дюймов (130 см 2 ). по площади и от 0,1 до 4 дюймов (0,25 до 10,16 см) по длине. Однако возможно производить детали, которые имеют площадь менее 0,1 квадратных дюймов (0,65 см 2 ) и больше 25 квадратных дюймов (160 см 2 ). по площади и от доли дюйма (2,54 см) до приблизительно 8 дюймов (20 см) по длине. [19] Небольшие механические прессы обычно могут прессовать около 100 деталей в минуту. [18]
В уплотнении штампа существует четыре основных класса стилей инструментов: уплотнение одинарного действия, используемое для тонких, плоских компонентов; встречное двойное действие с двумя движениями пуансона, которое подходит для более толстых компонентов; двойное действие с плавающей матрицей; и двойное действие вытяжной матрицы. Классы двойного действия обеспечивают гораздо лучшее распределение плотности, чем одинарное действие. Инструмент должен быть спроектирован таким образом, чтобы выдерживать экстремальное давление без деформации или изгиба. Инструменты должны быть изготовлены из полированных и износостойких материалов. [19]
Ударная консолидация, или динамическая консолидация, является экспериментальным методом консолидации порошков с использованием ударных волн высокого давления. [20] [21] Этот метод полезен для очень больших изделий, включая те, которые весят более 3000 тонн и имеют площадь более 100 квадратных дюймов. [18] Они обычно производятся путем удара по заготовке взрывоускоренной пластиной. [ требуется цитата ] Несмотря на то, что метод исследуется уже долгое время, он все еще имеет некоторые проблемы с управляемостью и однородностью. [ требуется цитата ] Однако он предлагает некоторые ценные потенциальные преимущества. Например, консолидация происходит настолько быстро, что могут сохраняться метастабильные микроструктуры. [22]
Изостатическое прессование порошка является альтернативным методом прессования порошка. [18] При холодном изостатическом прессовании мелкие металлические частицы помещаются в гибкую форму, которая затем погружается в газ или жидкость под высоким давлением со всех сторон (изостатика). [18] После спекания этот производственный процесс производит очень мало металлолома и может использоваться для изготовления множества различных форм. Допуски, которых можно достичь с помощью этого процесса в сочетании со спеканием, очень точны и составляют от +/- 0,008 дюйма (0,2 мм) для осевых размеров и +/- 0,020 дюйма (0,5 мм) для радиальных размеров. Это наиболее эффективный тип прессования порошка (следующие подкатегории также взяты из этой ссылки). [19] Эта операция, как правило, применима только при небольших объемах производства, и хотя стоимость формы намного ниже, чем у пресс-форм, ее, как правило, нельзя использовать повторно, а время производства намного больше. [23] Скорость производства обычно очень низкая, но детали весом до 100 фунтов могут быть эффективно уплотнены. [18] Поскольку давление прикладывается со всех сторон, требуются более низкие давления уплотнения для получения более высокой плотности порошка в конечном продукте. [18]
Давление прессования варьируется от 15 000 фунтов на кв. дюйм (100 000 кПа ) до 40 000 фунтов на кв. дюйм (280 000 кПа) для большинства металлов и приблизительно от 2 000 фунтов на кв. дюйм (14 000 кПа) до 10 000 фунтов на кв. дюйм (69 000 кПа) для неметаллов. [19] Плотность изостатически прессованных деталей на 5–10 % выше, чем при других процессах порошковой металлургии. [19] Типичные размеры заготовок варьируются от 0,25 дюйма (6,35 мм) до 0,75 дюйма (19,05 мм) в толщину и от 0,5 дюйма (12,70 мм) до 10 дюймов (254 мм) в длину. Возможно прессование заготовок толщиной от 0,0625 дюйма (1,59 мм) до 5 дюймов (127 мм) и длиной от 0,0625 дюйма (1,59 мм) до 40 дюймов (1016 мм). [19]
Преимущества по сравнению со стандартным прессованием порошка заключаются в возможности более тонких стенок и более крупных заготовок. Отношение высоты к диаметру не имеет ограничений. Не существует особых ограничений по изменению толщины стенок, поднутрениям , рельефам, резьбам и поперечным отверстиям. Для изостатического прессования порошка не требуются смазочные материалы. Минимальная толщина стенки составляет 0,05 дюйма (1,27 мм), а вес изделия может составлять от 40 до 300 фунтов (от 18 до 136 кг). После прессования происходит усадка порошка на 25–45%. [19]
Изостатические инструменты доступны в трех стилях: свободная форма (мокрый мешок), грубая форма (влажный мешок) и фиксированная форма (сухой мешок). Стиль свободной формы является традиционным стилем изостатического уплотнения и обычно не используется для высокопроизводительных работ. При использовании инструмента свободной формы форма извлекается и заполняется снаружи канистры. Влажный мешок — это место, где форма находится в канистре, но заполняется снаружи. При использовании инструмента фиксированной формы форма содержится внутри канистры, что облегчает автоматизацию процесса. [19]
После уплотнения порошковые материалы нагреваются в контролируемой атмосфере в процессе, известном как спекание. В ходе этого процесса поверхности частиц связываются и достигаются желаемые свойства. [6]
Спекание порошковых металлов — это процесс, в котором частицы под давлением химически связываются друг с другом, чтобы сформировать когерентную форму при воздействии высокой температуры. Температура, при которой спекаются частицы, чаще всего ниже температуры плавления основного компонента в порошке. [24] Если температура выше температуры плавления компонента в детали из порошкового металла, жидкость расплавленных частиц заполняет поры. Этот тип спекания известен как спекание в жидком состоянии. [6] Основная проблема спекания в целом — это знание влияния процесса на размеры компактных частиц. Это особенно сложно для целей инструментальной обработки, в которых могут потребоваться определенные размеры. Чаще всего спеченная деталь сжимается и становится плотнее, но она также может расширяться или не испытывать никаких чистых изменений. [24]
Основной движущей силой твердофазного спекания является избыток поверхностно-свободной энергии. Процесс твердофазного спекания сложен и зависит от материала и условий печи (температуры и газа). Существует шесть основных стадий, в которые можно сгруппировать процессы спекания, которые могут перекрывать друг друга: 1 начальное связывание между частицами, 2) рост шейки, 3) закрытие поровых каналов, 4) округление пор, 5) уплотнение или усадка пор и 6) огрубление пор. Основными механизмами, присутствующими на этих стадиях, являются испарение , конденсация , границы зерен , объемная диффузия и пластическая деформация . [24]
В ходе этого процесса увеличивается ряд характеристик, включая прочность , пластичность , вязкость , а также электро- и теплопроводность материала. Если различные элементарные порошки уплотняются и спекаются, материал будет формироваться в сплавы и интерметаллические фазы. [6] По мере уменьшения размеров пор плотность материала будет увеличиваться. Как указано выше, эта усадка является огромной проблемой при изготовлении деталей или инструментов, в которых требуются определенные размеры. Усадка тестовых материалов контролируется и используется для управления условиями печи или для увеличения размера компактных материалов с целью достижения желаемых размеров. Хотя спекание не истощает компактную часть пористости . В целом, детали из порошкового металла содержат от пяти до двадцати пяти процентов пористости после спекания. [6]
Большинство печей для спекания содержат три зоны с тремя различными свойствами, которые помогают выполнять шесть этапов, описанных выше. Первая зона, обычно называемая стадией выжигания или продувки, предназначена для сжигания воздуха, сжигания любых загрязняющих веществ, таких как смазка или связующие вещества, и медленного повышения температуры компактных материалов. Если температура компактных деталей повышается слишком быстро, воздух в порах будет находиться под очень высоким внутренним давлением, что может привести к расширению или разрушению детали. Вторая зона, известная как высокотемпературная стадия, используется для создания твердотельной диффузии и связи частиц. Материал стремится снизить свою поверхностную энергию и делает это, перемещаясь к точкам контакта между частицами. Точки контакта становятся больше, и в конечном итоге создается твердая масса с мелкими порами. Третья зона, также называемая периодом охлаждения, используется для охлаждения деталей, пока они находятся в контролируемой атмосфере. Это важная зона, поскольку она предотвращает окисление от непосредственного контакта с воздухом или явление, известное как быстрое охлаждение. Все три этапа должны выполняться в контролируемой атмосфере, не содержащей кислорода. Водород, азот, диссоциированный аммиак и расщепленные углеводороды являются обычными газами, закачиваемыми в зоны печи, создавая восстановительную атмосферу, предотвращающую образование оксидов. [6]
Горячее изостатическое прессование (ГИП) сжимает и спекает деталь одновременно [12] путем подачи тепла порядка 2300 °F (1250 °C) в случае железа или 2750 °F (1500 °C) в случае никелевых сплавов. [18] Эта процедура, вместе с взрывными методами сжатия, широко используется при производстве высокотемпературных и высокопрочных деталей, таких как диски турбин для реактивных двигателей. [12] В большинстве применений порошковой металлургии прессование осуществляется в горячем состоянии, нагреваясь до температуры, выше которой материалы не могут оставаться наклепанными. [12] Горячее прессование снижает давление, необходимое для уменьшения пористости, и ускоряет процессы сварки и деформации зерна. [12] Оно также позволяет лучше контролировать размеры изделия, снижает чувствительность к физическим характеристикам исходных материалов и позволяет сжимать порошок до более высоких плотностей, чем при холодном прессовании, что приводит к более высокой прочности. [12] К отрицательным аспектам горячего прессования относятся более короткий срок службы пресс-формы, более медленная производительность из-за нагревания порошка и частая необходимость в защитной атмосфере или простом вакууме на этапах формования и охлаждения. [12] [18]
ГИП часто производит продукцию более высокого качества, чем другие процессы. [18] Однако ГИП является дорогостоящим и, как правило, непривлекательным для крупносерийного производства из-за высокой стоимости помещения порошка в гибкую изолирующую среду, которая может выдерживать температуры и давления ( консервирование ), а затем извлечения его из этой среды ( декантирование ), а также длительных периодов времени, которые могут составлять от 6 до 8 часов. [18]
Эти методы используют электрические токи для управления или улучшения спекания. [25] Сочетание механического давления и электрического тока, проходящего через порошок или контейнер, значительно сокращает время спекания по сравнению с традиционными решениями. [25] Существует много классификаций этих методов, но их можно разделить на две основные категории: методы резистивного спекания, которые применяют более низкие напряжения и токи и занимают от десяти секунд до десяти минут; и электроразрядное спекание, которые используют конденсаторные батареи для достижения более высоких токов и напряжений и занимают от десятков микросекунд до десятков миллисекунд. [25] Методы резистивного спекания включают искровое плазменное спекание (SPS), плазменно-активированное спекание (PAS) и импульсное электротоковое спекание (PECS). [26] Методы электроразрядного спекания включают спекание разрядом конденсатора . [26] В настоящее время искровое плазменное спекание является наиболее часто используемым методом электроимпульсной консолидации в целом. [26]
Напряжения резистивного спекания обычно достигают около 1 кА на квадратный сантиметр, в то время как напряжения электроразрядного спекания требуют очень высоких напряжений, более 10 кА на квадратный сантиметр. [26] Методы резистивного спекания являются методами консолидации, основанными на температуре, где нагрев формы и порошков осуществляется посредством электрических токов, обычно с характерным временем обработки от 15 до 30 минут. С другой стороны, методы электроразрядного спекания полагаются на токи высокой плотности (от 0,1 до 1 кА/мм^2) для непосредственного спекания электропроводящих порошков, с характерным временем от десятков микросекунд до сотен миллисекунд. [ необходима цитата ]
Строго говоря, фраза «непрерывный процесс» должна использоваться только для описания режимов производства, которые могут быть продлены до бесконечности во времени. Обычно, однако, этот термин относится к процессам, продукты которых намного длиннее в одном физическом измерении, чем в двух других. Сжатие, прокатка и экструзия являются наиболее распространенными примерами. [12]
В простом процессе сжатия порошок вытекает из бункера в двухстенный канал и многократно сжимается вертикально горизонтально неподвижным пуансоном. После снятия пресса с конвейера уплотненная масса вводится в печь для спекания. Еще более простой подход заключается в распылении порошка на движущуюся ленту и спекании ее без сжатия. Однако трудно найти хорошие методы снятия холоднопрессованных материалов с движущихся лент. Одной из альтернатив, которая полностью позволяет избежать трудностей со снятием ленты, является изготовление металлических листов с использованием противостоящих гидравлических плунжеров , хотя во время последовательных операций прессования могут возникать слабые линии поперек листа. [12] [ необходимо дополнительное объяснение ]
Порошки также можно прокатывать для получения листов. Порошковый металл подается в двухвалковый прокатный стан [a] и прессуется в полосу со скоростью до 100 футов в минуту (0,5 м/с). Затем полоса спекается и подвергается еще одной прокатке и дальнейшему спеканию. Прокатка обычно используется для производства листового металла для электрических и электронных компонентов, а также монет . Значительная работа также была проделана по прокатке нескольких слоев различных материалов одновременно в листы. [12]
Процессы экструзии бывают двух общих типов. В одном типе порошок смешивается со связующим или пластификатором при комнатной температуре; в другом порошок экструдируется при повышенных температурах без укрепления. [ необходимо дополнительное объяснение ] Экструзии со связующими широко используются при изготовлении композитов из карбида вольфрама. Трубы, сложные секции и спиральные сверла изготавливаются увеличенной длины и диаметра, варьирующегося в диапазоне 0,5–300 мм (0,020–11,811 дюйма). Из порошковой заготовки изготавливаются твердые металлические проволоки диаметром 0,1 мм (0,0039 дюйма). С другой стороны, могут быть возможны большие экструзии на основе тоннажа. [12]
Для более мягких, легко формуемых металлов, таких как алюминиевые и медные сплавы, непрерывная экструзия может также выполняться с использованием таких процессов, как конформная или непрерывная ротационная экструзия. Эти процессы используют вращающееся колесо с канавкой по окружности для перемещения сыпучего порошка через формующую матрицу. Благодаря сочетанию высокого давления и сложного пути деформации частицы порошка деформируются, генерируют большое количество фрикционного тепла и связываются вместе, образуя объемное твердое тело. Теоретически, полностью непрерывная работа возможна, пока порошок может быть подан в процесс. [27]
Похоже, что нет ограничений на разнообразие металлов и сплавов, которые можно экструдировать, при условии, что используемые температуры и давления находятся в пределах возможностей материалов штампа. [12] Длина экструзии может составлять от 3 до 30 м [28] , а диаметр — от 0,2 до 1 м. Современные прессы в основном автоматизированы и работают на высоких скоростях (порядка м/с). [12]
Специальные материалы и процессы, используемые в порошковой металлургии, могут представлять опасность для жизни и имущества. Высокое отношение площади поверхности к объему порошков может повысить их химическую реактивность при биологическом воздействии (например, при вдыхании или проглатывании) и увеличивает риск взрывов пыли . Материалы, считающиеся относительно безвредными в больших количествах, могут представлять особую токсикологическую опасность в мелкодисперсной форме. Вдыхание тяжелых металлов может привести ко многим проблемам со здоровьем. Свинец и кадмий, как правило, токсичны, а кобальт может вызывать астму и фиброз у чувствительных людей. [29]
{{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link)