Порошковая металлургия

Порошковая металлургия (ПМ) является одним из наиболее прогрессивных процессов получения изделий различного назначения. Многочисленные технологические процессы порошковой металлургии позволяют снизить расход материала, энергоемкость производства, автоматизировать технологический процесс.

Обеспечение необходимого сочетания технологичности и надежности изделия, совместно с обеспечением требуемых свойств осуществляется за счет управления процессами структурообразования.

В настоящее время железный порошок используется преимущественно для получения железографитовых материалов и порошковых сталей. Применение этих материалов для изготовления широкой номенклатуры конструкционных деталей для различных отраслей машиностроения ограничено вследствие трудностей обеспечения высоких и стабильных механических свойств.

Форма, размеры и распределение легирующих элементов, и особенно углерода оказывает существенное влияние на механические и технологические свойства таких материалов. Шихта для их получения методами ПМ представляет собой смесь железных порошков, легирующих и углеродсодержащих компонентов (УСК). Наиболее важным компонентом шихты, отвечающим за структуру и конечные свойства порошковых сталей, является углерод. В настоящее время при получении порошковых сталей применяют естественный графит марки ГК-1. При этом одним из важных факторов является степень графитации используемых УСК, их чистота и структура. Поэтому, представляется актуальным изучение влияния степени графитации и количества вводимых УСК на формирование структуры материалов и комплекса физико-механических свойств на всех этапах технологического процесса получения и последующей термической обработки (ТО) порошковых сталей.

Применение УСК различной степени графитации оказывает существенное влияние на всех технологических операциях: смешивание, прессование, спекания, горячая штамповка, термическая обработка, химико-термическая обработка.

Наряду с традиционными методами необходимо уделить особое внимание изучению и применению метода электроконтактного спекания (ЭКС), которое позволяет получать изделия с остаточной пористостью 5-7%.

Одним из перспективных методов получения изделий сложной формы с минимальной пористостью и повышенными физико-механическими свойствами. является горячая штамповка (ГШ) предварительно спеченных заготовок.

Особенности процессов взаимодействия различных форм углерода с железным порошком привели к необходимости подробного изучения процессов структурообразования в этих материалах и оптимизации режимов термической обработки (ТО) с целью получения мелкозернистой структуры мартенсита и перлита в конечных изделиях.

В настоящее время при получении порошковых сталей применяют естественный графит марки ГК-1. Этот графит имеет минимальную термодинамическую активность и слабо взаимодействует с порошками железа в процессе получения порошковых сталей, в результате этого получается недостаточно гомогенная структура, с нерастворившимся остаточным углеродом и неравномерной и слабоконтролируемой пористостью, что отрицательно сказывается на конечных свойства изделий.

Рассматривая особенности структурного строения искусственных углеродных материалов на микроуровне можно отметить, что они представляют собой совокупность микропакетов углеродных сеток, разориентированных относительно друг друга около 0,25 нм. В процессе графитации эти микропакеты располагаются взаимно параллельно в направлении ориентации базисных плоскостей. Если ориентация отсутствует, то подобные структуры принято считать турбостратными. В процессе графитации протекают процессы упорядочения структур. Трехмерное упорядочение углерода заметно при температурах 1873-2073 К. Термодинамическая активность углеродных материалов определяется степенью совершенствования углеродных структур. Одним из параметров позволяющих оценить структурное состояние углеродных материалов может быть степень графитации. Этот параметр рассматривается как показатель совершенства кристаллической решетки графитирующих материалов и показатель химической активности углерода.

Другим показателем структурного совершенства графитирующихся материалов может быть величина рентгенографической плотности, равная обратной величине межслоевого расстояния dp=7,604.

Основной характеристикой структуры углерода является расстояние между атомными слоями, которые для различных форм графита составляет: графит природный 0,3354 нм, электродный графит 0,333 нм, сажа – 0,344 нм. Размер кристаллов для микрокристаллитного графита составляет – 100 нм, сажи – десятые доли, электродного графита 10 – 20нм. Такие параметры как содержание золы, текстура, крупность порошка необходимо контролировать для обеспечения возможности оптимального использования графита в порошковой металлургии, в частности для установления требуемых условий спекания.

Проведенный анализ возможности использования углеродсодержащих компонентов (УСК) искусственного происхождения для производства порошковой стали показал, что наиболее перспективными, исходя из требований для компонентов шихты порошковых сталей, являются искусственный малозольный графит (ГИСМ), пироуглерод (ПУ), высокотемпературный каменноугольный пек (ВП).