Порошковая металлургия: процессы и применение

Введение

Процесс спекания металлических порошков

Порошковая металлургия (ПМ) – это термин, охватывающий широкий спектр методов изготовления материалов или компонентов из металлических порошков. Процессы ПМ могут снизить или устранить необходимость в механической обработке, уменьшая потери материала и снижая стоимость конечного продукта. Порошковая металлургия также используется для создания уникальных материалов, которые невозможно получить плавлением или другими способами формования. Важным примером такого материала является карбид вольфрама. Карбид вольфрама применяется для резки и формования других металлов и производится из частиц карбида вольфрама, соединенных кобальтом. Он широко используется в промышленности для изготовления различных инструментов, и в мировом масштабе ежегодно производится около 50 000 тонн продукции с использованием порошковой металлургии. К другим продуктам относятся спеченные фильтры, пористые подшипники, пропитанные маслом, электрические контакты и алмазные инструменты. С развитием промышленного производства металлических порошков в 2010-х годах, селективное лазерное спекание и другие аддитивные технологии производства металлов стали новой категорией коммерчески значимых применений порошковой металлургии.

Обзор

Процесс "прессования и спекания" в порошковой металлургии обычно состоит из трех основных этапов: смешивание порошка (или измельчение), уплотнение в пресс-форме и спекание. Уплотнение порошка в пресс-форме обычно производится при комнатной температуре. Синтеризация – это процесс соединения материала посредством нагрева без его расплавления. Обычно она проводится при атмосферном давлении и под тщательно контролируемым составом атмосферы. Для получения специальных свойств или повышенной точности часто следует вторичная обработка, такая как чеканка или термообработка. Одним из старейших таких методов является процесс смешивания мелких (<180 мкм) металлических порошков с добавками, прессования их в пресс-форму нужной формы, а затем спекания сжатого материала в контролируемой атмосфере. Металлический порошок обычно представляет собой железо, а добавки включают смазочный воск, углерод, медь и/или никель. Это позволяет получить точные детали, обычно очень близкие к размерам пресс-формы, но с 5–15% пористостью и, следовательно, свойствами, уступающими кованой стали. Этот метод все еще используется для изготовления около 1 Мт/год структурных компонентов из сплавов на основе железа. За последние пятьдесят лет было разработано несколько других процессов порошковой металлургии. Среди них:
Порошковая ковка: "Заготовка", изготовленная обычным методом "прессования и спекания", нагревается, а затем горяче деформируется до полной плотности, что обеспечивает свойства, практически эквивалентные кованым. Горячее изостатическое прессование (ГИП): Порошок, обычно газоатомизированный и сферический, загружается в форму, как правило, металлическую "капсулу". Капсула вибрируется, затем эвакуируется и герметизируется. Для спекания порошок помещают в горячий "изостатический пресс" на несколько часов, где он нагревается примерно до 0,7 температуры плавления и подвергается внешнему газовому давлению около 100 МПа. В результате получается деталь заданной формы с полной плотностью и свойствами, не уступающими кованым или даже превосходящими их. ГИП было изобретено в 1950–1960-х годах и внедрено в крупносерийное производство в 1970–1980-х годах. В 2015 году этот метод использовался для производства около 25 000 т/год нержавеющей и инструментальной стали, а также важных деталей для суперсплавов, применяемых в авиационных двигателях. Металлическое литье под давлением (MIM): Здесь порошок, обычно очень мелкий (<25 мкм) и сферический, смешивается с пластиковым или восковым связующим веществом до максимальной концентрации твердой фазы, обычно около 65% по объему, и впрыскивается в пресс-форму для получения "сырой" детали (содержащей связующее вещество) сложной формы. Затем эта деталь нагревается или подвергается другой обработке для удаления связующего вещества, что приводит к образованию "коричневой" детали (без связующего вещества). Затем эта деталь спекается и усаживается примерно на 18%, что дает сложную и плотную готовую деталь (95–99% плотности, шероховатость поверхности около 3 мкм). Технология, изобретенная в 1970-х годах, с 2000 года демонстрирует рост производства, а в 2014 году ее мировой объем достиг 12 000 т на сумму 1265 миллионов евро. Технологии спекания с помощью электрического тока (ECAS) используют электрический ток для спекания порошков. Это значительно сокращает время производства (от 15 минут до нескольких микросекунд), не требует длительного нагрева в печи и позволяет достичь почти теоретической плотности, но имеет и недостаток – ограниченность форм. Порошки, используемые в ECAS, не требуют связующих веществ, поскольку их можно спекать непосредственно, без предварительного прессования и компактирования со связующими. Пресс-формы проектируются под окончательную форму детали, поскольку порошки спекаются при заполнении полости под приложенным давлением. Это позволяет избежать проблем, связанных с изменением формы из-за неизотропного спекания, а также деформаций, вызванных гравитацией при высоких температурах. Наиболее распространенной из этих технологий является горячее прессование, которое используется для изготовления алмазных инструментов для строительной промышленности. Искроплазменное спекание и электросинтеронная ковка – это две современные, промышленные и коммерчески доступные технологии ECAS. Аддитивное производство (АМ) – это относительно новая группа методов, использующих металлические порошки (наряду с другими материалами, такими как пластмассы) для изготовления деталей посредством лазерного спекания или плавления. Этот процесс активно развивается с 2015 года, и вопрос о том, следует ли классифицировать его как процесс порошковой металлургии, на данном этапе остается открытым. К процессам относятся 3D-печать, селективное лазерное спекание (SLS), селективное лазерное плавление (SLM) и электронно-лучевое плавление (EBM).

The powder metallurgy "press and sinter" process generally consists of three basic steps: powder blending (or pulverisation), die compaction, and sintering. Compaction of the powder in the die is generally performed at room temperature. Sintering is the process of binding a material together with heat without liquefying it. It is usually conducted at atmospheric pressure, and under carefully controlled atmosphere composition. To obtain special properties or enhanced precision, secondary processing like coining or heat treatment often follows. One of the older such methods is the process of blending fine (<180 microns) metal powders with additives, pressing them into a die of the desired shape, and then sintering the compressed material together, under a controlled atmosphere. The metal powder is usually iron, and additives include a lubricant wax, carbon, copper, and/or nickel. This produces precise parts, normally very close to the die dimensions, but with 5–15% porosity, and thus sub wrought steel properties. This method is still used to make around 1 Mt/y of structural components of iron based alloys. There are several other PM processes which have been developed over the last fifty years. These include:
Powder forging: A "preform" made by the conventional "press and sinter" method is heated and then hot forged to full density, resulting in practically as wrought properties. Hot isostatic pressing (HIP): Here the powder, normally gas atomized and spherical, is filled into a mould, usually a metallic "can". The can is vibrated, then evacuated and sealed. To sinter the powder, it is placed in a hot "isostatic press" for several hours, where it is heated to around 0.7 times the melting point, and subjected to an external gas pressure of ~100 MPa. This results in a shaped part of full density with as wrought or better properties. HIP was invented in the 1950 60s and entered tonnage production in the 1970 80s. In 2015, it was used to produce ~25,000 t/y of stainless and tool steels, as well as important parts of superalloys for jet engines. Metal injection moulding (MIM): Here the powder, normally very fine (<25 microns) and spherical, is mixed with plastic or wax binder to near the maximum solid loading, typically around 65% volume, and injection moulded into a mould to form a "green" (with binder) part of complex geometry. This part is then heated or otherwise treated to remove the binder to give a "brown" (without binder) part. This part is then sintered, and shrinks by ~18% to give a complex and 95–99% dense finished part (surface roughness ~3 microns). Invented in the 1970s, production has increased since 2000 with an estimated global volume in 2014 of 12,000 t worth €1265 million. Electric current assisted sintering (ECAS) technologies use electric currents to sinter powders. This reduces production time dramatically (it can take from 15 minutes to a few microseconds), does not require a long furnace heat, and allows near theoretical densities, but it also has the drawback of simple shapes. Powders used in ECAS do not require binders because they can be directly sintered, without needing to be pre pressed and compacted with binders. Moulds are designed for the final part shape since the powders sinter while filling the cavity under an applied pressure. This avoids the problem of shape variations caused by non isotropic sintering, as well as distortions caused by gravity at high temperatures. The most common of these technologies is hot pressing, which has been used to make diamond tools for the construction industry. Spark plasma sintering and electro sinter forging are two modern, industrial, and commercial ECAS technologies. Additive manufacturing (AM) is a relatively novel family of techniques which use metal powders (among other materials, such as plastics) to make parts by laser sintering or melting. This is a process under rapid development as of 2015, and whether to classify it as a PM process is perhaps uncertain at this stage. Processes include 3D printing, selective laser sintering (SLS), selective laser melting (SLM), and electron beam melting (EBM).

История и возможности

История порошковой металлургии и искусство спекания металлов и керамики тесно взаимосвязаны. Спекание включает в себя получение твердого металлического или керамического изделия из исходного порошка. Древние инки изготавливали ювелирные изделия и другие артефакты из порошков драгоценных металлов, однако массовое производство изделий порошковой металлургии началось лишь в середине или конце XIX века. В этих ранних производственных процессах железо извлекалось вручную из металлической губки после восстановления и затем возвращалось в виде порошка для окончательного плавления или спекания. Из порошковых процессов можно получить гораздо более широкий ассортимент продукции, чем при непосредственном сплавлении расплавленных материалов. В процессах плавления "фазовое правило" применимо ко всем чистым и комбинированным элементам и строго определяет распределение жидкой и твердой фаз для заданных составов. Кроме того, для сплавления требуется полное расплавление исходных материалов, что накладывает нежелательные химические, термические и технологические ограничения на производство. К сожалению, работа с порошками алюминия и железа представляет собой серьезную проблему. Другие вещества, особенно реакционноспособные с атмосферным кислородом, такие как титан, могут спекаться в специальных атмосферах или с использованием временных покрытий. Порошковая металлургия или керамика позволяют изготавливать компоненты, которые в противном случае разложились бы или рассыпались. Все аспекты фазовых переходов твердое-жидкое можно не учитывать, поэтому порошковые процессы более гибкие, чем литье, экструзия или ковка. Контролируемые характеристики изделий, изготовленных с использованием различных порошковых технологий, включают механические, магнитные и другие нетрадиционные свойства таких материалов, как пористые тела, агрегаты и интерметаллические соединения. Конкурентные характеристики технологического процесса (например, износ инструмента, сложность или выбор поставщиков) также могут быть тщательно контролируемы.

Специальные продукты

Многие специальные продукты возможны благодаря технологии порошковой металлургии. Неполный список включает в себя вискеры Al2O3, покрытые очень тонкими оксидными слоями для повышения показателя преломления; железные прессованные изделия с покрытиями Al2O3 для улучшения ползучести при высоких температурах; нити накаливания для ламп, изготовленные с использованием порошковой технологии; накладки для фрикционных тормозов; металлические стекла для высокопрочных пленок и лент; теплозащитные экраны для возвращения космических аппаратов в атмосферу Земли; электрические контакты для работы с большими токами; магниты; микроволновые ферриты; фильтры для газов; и подшипники, которые могут быть пропитаны смазочными материалами. Сверхтонкие пленки и крошечные сферы демонстрируют высокую прочность. Одно из применений этого наблюдения заключается в покрытии хрупких материалов в форме усов субмикрометровой пленкой из гораздо более мягкого металла (например, вольфрам, покрытый кобальтом). Поверхностное напряжение тонкого слоя создает сжатие в более твердом металле, так что при спекании всего композита прочность на разрыв значительно возрастает. С помощью этого метода были получены прочности порядка 2,8 ГПа против 550 МПа для покрытых (25% кобальта) и непокрытых карбидов вольфрама соответственно. Порошки элементов титана, ванадия, тория, ниобия, тантала, кальция и урана получены путем высокотемпературного восстановления соответствующих нитридов и карбидов. Порошки железа, никеля, урана и бериллия получают путем восстановления металлических оксалатов и форматов. Исключительно мелкие частицы также получают, направляя струю расплавленного металла через высокотемпературную плазменную струю или пламя, распыляя материал. Различные химические и пламенно-дуговые процессы порошкообразования частично используются для предотвращения серьезной деградации поверхностей частиц атмосферным кислородом. Обычно они производятся путем удара по заготовке пластиной, разогнанной взрывом. Несмотря на длительные исследования, эта технология все еще имеет некоторые проблемы с управляемостью и однородностью. Однако она предлагает ценные потенциальные преимущества. Например, консолидация происходит настолько быстро, что могут сохраняться метастабильные микроструктуры.

Many special products are possible with powder metallurgy technology. A nonexhaustive list includes Al2O3 whiskers coated with very thin oxide layers for improved refraction; iron compacts with Al2O3 coatings for improved high temperature creep strength; light bulb filaments made with powder technology; linings for friction brakes; metal glasses for high strength films and ribbons; heat shields for spacecraft reentry into Earth's atmosphere; electrical contacts for handling large current flows; magnets; microwave ferrites; filters for gases; and bearings which can be infiltrated with lubricants. Extremely thin films and tiny spheres exhibit high strength. One application of this observation is to coat brittle materials in whisker form with a submicrometre film of much softer metal (e. g. cobalt coated tungsten). The surface strain of the thin layer places the harder metal under compression, so that when the entire composite is sintered the rupture strength increases markedly. With this method, strengths on the order of 2.8 GPa versus 550 MPa have been observed for, respectively, coated (25% cobalt) and uncoated tungsten carbides. Powders of the elements titanium, vanadium, thorium, niobium, tantalum, calcium, and uranium have been produced by high temperature reduction of the corresponding nitrides and carbides. Iron, nickel, uranium, and beryllium submicrometre powders are obtained by reducing metallic oxalates and formates. Exceedingly fine particles also have been prepared by directing a stream of molten metal through a high temperature plasma jet or flame, atomizing the material. Various chemical and flame associated powdering processes are adopted in part to prevent serious degradation of particle surfaces by atmospheric oxygen. These are commonly produced by impacting the workpiece with an explosively accelerated plate. Despite being researched for a long time, the technique still has some problems in controlability and uniformity. However, it offers some valuable potential advantages. As an example, consolidation occurs so rapidly that metastable microstructures may be retained.

Изостатическое уплотнение

Изостатическое уплотнение порошка – это процесс формования, сохраняющий массу вещества. Мелкие металлические частицы помещаются в гибкую форму, а затем на форму подается высокое давление жидкости, в отличие от прямого давления, оказываемого пуансонами и матрицей при прессовании. Полученная заготовка затем спекается в печи, что повышает ее прочность за счет соединения металлических частиц. Этот производственный процесс производит очень мало металлического лома и может использоваться для изготовления деталей различной формы. Достижимая точность размеров при этом процессе очень высока и составляет от +/ 0,008 дюйма (0,2 мм) для осевых размеров и от +/ 0,020 дюйма (0,5 мм) для радиальных размеров. Это наиболее эффективный вид порошкового уплотнения (далее приведены подкатегории, также относящиеся к этому виду). Данная операция обычно применяется для небольших партий, хотя стоимость формы значительно ниже, чем у прессовых инструментов, она, как правило, не предназначена для повторного использования, а время производства значительно больше. Давление уплотнения для большинства металлов составляет от до , а для неметаллов – приблизительно от до . Плотность деталей, полученных изостатическим уплотнением, на 5–10% выше, чем при других процессах порошковой металлургии. Типичные размеры заготовок варьируются от до мм в толщину и от до мм в длину. Возможно уплотнение заготовок толщиной от до мм и длиной от до мм. Преимущества по сравнению со стандартным порошковым уплотнением заключаются в возможности изготовления деталей с более тонкими стенками и большими размерами. Отношение высоты к диаметру не ограничено. Отсутствуют какие-либо специфические ограничения по вариациям толщины стенок, выемкам, рельефам, резьбе и сквозным отверстиям. Для изостатического уплотнения порошка не требуются смазочные материалы. Минимальная толщина стенки составляет 0,05 дюйма (1,27 мм), а вес изделия может быть от 18 до 136 кг. После уплотнения происходит усадка порошка на 25–45%.

Горячее изостатическое прессование

Горячее изостатическое прессование (HIP) одновременно сжимает и спекает деталь. Если температура превышает температуру плавления одного из компонентов порошковой металлической детали, жидкость расплавленных частиц заполняет поры. Этот тип спекания известен как спекание в жидкой фазе. Сочетание электрического тока и механического давления ускоряет спекание порошков, сокращая время процесса по сравнению с традиционными термическими методами. Методы спекания можно разделить на две основные категории: спекание сопротивлением, включающее искроплазменное спекание и горячее прессование; и спекание электрическим разрядом, такое как конденсаторное спекание или его производная – электросинтез с ковкой. Методы спекания сопротивлением являются методами консолидации, основанными на нагреве, при котором нагрев формы и порошков осуществляется посредством электрического тока, обычно с характерным временем обработки от 15 до 30 минут. С другой стороны, методы спекания электрическим разрядом используют токи высокой плотности (от 0,1 до 1 кА/мм²) для непосредственного спекания электропроводящих порошков, с характерным временем от десятков микросекунд до сотен миллисекунд.

Непрерывная обработка порошка

ЭллсвортСтрого говоря, выражение "непрерывный процесс" следует использовать только для описания способов производства, которые теоретически могут быть продолжены неограниченно во времени. Однако, как правило, этот термин относится к процессам, продукты которых значительно длиннее по одному физическому измерению, чем по двум другим. Наиболее распространенными примерами являются прессование, прокатка и экструзия. Похоже, что не существует ограничений по разнообразию металлов и сплавов, которые можно экструдировать, при условии, что задействованные температуры и давления соответствуют возможностям материалов инструмента. Экструдируемые изделия могут иметь диаметр от 0,2 до 1 м. Современные прессы в основном автоматизированы и работают на высоких скоростях (порядка метров в секунду).