Методы порошковой металлургии
Как сегодня из порошков получают материалы? Самый распространенный метод порошковой металлургии - прессование и спекание.
Холодное прессование
Порошок насыпают в стальную обойму с толстыми стенками (пресс-форму) и уплотняют на прессе при комнатной температуре. Эта операция называется холодным прессованием. Извлеченный из пресс-формы брикет называют прессовкой.
Цель холодного прессования - придать прессовке требуемую форму, размеры и образовать побольше контактов между порошинками. Это не монолитный металл а просто конгломерат порошинок, спрессованных друг с другом. Поэтому прочность его низка. Свойствами настоящего металла прессовка не обладает.
Чтобы эти свойства получить, ее следует поместить в печь и выдержать некоторое время при температуре (0,7-0,9)Тпл. металла. Сколько - зависит от температуры, способа нагрева, структуры и размеров порошка, требуемой плотности. Иногда достаточно нескольких минут, иногда требуется несколько часов.
Металлы нагревают не на воздухе, а в защитной или восстановительной газовой среде. Иначе они не спекутся. Защитная среда - это вакуум, аргон или другой инертный газ, восстановительная - водород, продукты диссоциации аммиака и другие среды, содержащие водород или монооксид углерода СО.
Спекание прессовки
Операция нагрева и выдержки прессовки при заданной температуре называется спеканием. Что же происходит при спекании? Почему твердые порошинки при нагреве сливаются друг с другом, или, как принято говорить, спекаются? Известно, что самопроизвольные процессы подчиняются принципу энергетической выгоды. Самопроизвольные - это значит происходящие без внешнего воздействия.
Принцип энергетической выгоды состоит в том, что система всегда стремится перейти из состояния с большим запасом энергии в состояние с меньшим ее запасом. Одним из видов энергии является поверхностная энергия. Поверхность любого тела всегда обладает повышенной энергией по сравнению с его объемом. Поэтому всякое тело или система тел стремятся принять форму, имеющую наименьшую поверхность.
Именно поэтому мыльные пузыри, капли воды и т. п. принимают сферическую форму - среди тел разной геометрии сфера имеет минимальную поверхность при заданном объеме. Понятно, что поверхность двух твердых сферических частичек больше, чем одной, полученной в результате их слияния. Следовательно, поверхностная энергия системы из двух частичек будет выше, чем у одной слившейся частицы.
А значит, система из двух частичек будет стараться превратиться в одну большую частицу. Если частиц не две, а много, как в прессовке из порошка, все они будут стремиться слиться друг с другом, чтобы избавиться от пор и межчастичных границ, то есть от лишней поверхностной энергии.
Это и есть энергетическая причина образования плотного материала из конгломерата порошинок. Но стремление может остаться только стремлением, если нет условий для его осуществления.
Поры в прессовке образуют сеть искривленных поверхностей, а, как известно, каждая искривленная поверхность находится под действием лапласовского давления, величина которого тем больше, чем больше кривизна и энергия поверхности.
Это давление и заставляет металл порошинок медленно течь, что приводит к слиянию частиц порошка в единое целое. Порошинки сливаются друг с другом, как сливаются капли жидкости.
Очень большая вязкость металла при низких (в том числе и комнатной) температурах и есть та непреодолимая преграда, которая стоит между стремлением прессовки к спеканию и его осуществлением. А вот при высоких температурах (0,7-0,9)Тпл. преграда становится преодолимой - вязкость металла резко снижается, и лапласовское давление вызывает ощутимое течение вещества, приводящее к спеканию.
После спекания, если оно выполнено правильно, материал приобретает свойства настоящего металла. Но до сих пор не удается объяснить, чем вызвано чрезвычайно интенсивное уплотнение прессовок на начальной стадии спекания. В первые минуты спекания скорость уплотнения в сотни раз больше, чем на последующих этапах.
Причины этого пока не найдены. На начальной стадии скорее всего происходит не медленное вязкое течение, а пластическая деформация вещества пористого тела. Только она может обеспечить такие скорости усадки. Но объяснить четко, как лапласовские давления приводят к пластической деформации, пока не удается - эти давления очень малы.
Горячее прессование
Кроме прессования и спекания, в порошковой металлургии используют горячее прессование,- этот метод полностью совпадает с предложенныа П. Г. Соболевским. Разновидностью горячего прессования является динамическое горячее прессование - порошковые брикет нагревают до (0,6-0,8)Тпл., вставляют в пресс-форму и подвергают ударному уплотнению на молоте или быстроходном прессе.
Горячее прессование позволяет получать более плотные изделия, чем спекание, но производительность его ниже. В настоящее время в арсенале методов порошковой металлургии разработаны такие, как ковка, прокатка, экструзия (выдавливание через фильеру), взрывное прессование порошков и др.