Современные технологии порошковой металлургии. Лекции

1. Современные технологии порошковой металлургии

Бузоверя Марина Эдуардовна
ведущий научный сотрудник
РФЯЦ ВНИИЭФ, ктн.,
доцент кафедры ОБДиЭ
Phone: р.(83130) 27683; 9108789760
E-mail:
[email protected]
[email protected]

2.

1
2
Лекции,
часы
Семинары,
часы
3
4
Сам.работа Лабор.раб,
часы
, часы
5
экзамен
ПАК
16
Освоение
теории на
практике
тесты
Работа с
конспектом
лекций и
литер.
-
Получение
навыков
Допуск
эксперимент
Подготовка
работы
к
семинарам
Подготовка
реферата,
доклада

3. Лекция_1

Современные технологии порошковой металлургии
Лекция_1
Введение.
Предыстория порошковой металлургии.
Современные материалы и технологии.
Тенденции развития и задачи порошковой
металлургии.

4. Историческая хронология

История развития общества
связана с историей
•освоения материалов,
• технологии их получения
и обработки.
• Стремление
совершенствовать
материалы во все времена
было вызвано желанием
людей улучшить свою
жизнь.
каменный век
медный век
бронзовый век
железная эра
век микроэлектроники,
полимеров
Эпоха нанотехнологий

5.

Эпоха
материал
Технологии
Каменный
век/600тыс
Палеолит
Мезолит
неолит
камень
Обработка камня
Первая техническая
революция
Обработка дерева, шкур,
глины/неолит
Развитие сельского
хозяйства
Новые основы
производства
Медный век
Медь, цветная керамика
Ковка, плавление,
литье меди
Новые орудия
производства,
камень потерял
лидерство
Бронзовый век
Сплавы на основе меди
Железный век
Истощение запасов меди
Освоение технологии
железа
Использование энергии
воды, появление станков,
Технология коксования
каменного угля, новые
технологии стали
Промышленная революция,
появление станков,
машиностроение (18век),
зарождение металловедения
20 век
Новые материалы
Полупроводниковые,
полимерные, космос, атом,
информационные и т.д.
Материаловедческая
революция
21век
наноматериалы
нанотехнологии
Революция в
манипулировании
материей
Легирование меди
(мышьяк, олово)
Комментарий
Новые орудия
производства,
металлургия
Технический прогресс человечества во
многом основан на материаловедении

6. Недостаток Преимущества

• Можно предать
любую форму
Медь уступает по
прочности камню
• Гвозди проволока и
т.д.
• Меньше времени на
изготовление
• Изделия более
совершенны

7.

Основа материаловедения-металлургия
Истоки знаний восходят к
практической деятельности
ранних человеческих обществ.
До средних веков сведения о
производстве металлов
считались национальным
секретом, передавались устно.
Впервые немецкий металлург
Бауэр (Агриколла) записал
свои рецепты в
«Книге Агриколлы» (способы
упрочнения стали)
«..интуитивные технологии» ,
первоначально развивающие
стихийно,
без понимания природы
объектов и процессов,
не могут быть надежной
основой в будущем.
Необходимость использования
достижений науки в практике
привело к формированию
технических наук.

8.

• «Точное
• Владение
логическое
технической
определение
терминологией понятий –
показатель
главнейшее
грамотности и
условие истинного
профессиональной
знания»
культуры/
Сократ
компетентности

9. Материал

• вещество, свойства
которых
представляют
практический
интерес.
объект, обладающий:
• определенным
составом;
• структурой;
• свойствами;
• предназначенный
для выполнения
определенных
функций.

10.

Функции
●обеспечение протекания тока - в проводниковых
материалах,
● сохранение определенной формы при
механических нагрузках - в конструкционных
материалах,
●обеспечение непротекания тока, изоляция - в
диэлектрических материалах,
● превращение электрической энергии в тепловую - в
резистивных материалах.
● материал может выполнять несколько функций,
например диэлектрик обязательно испытывает
какие-то механические нагрузки, а значит является
конструкционным материалом.

11.

• В отличие от вещества
материал обладает
Изделия
комплексом
свойств в
то, что
макрообъеме,
производится из
достаточном для
материалов
их технического
использования в
• имеет характерное
конструкциях
индивидуальное
машин и
оформление и
оборудовании.
назначение.
11

12. Технология

• Материалы неразрывно связаны с технологией
• Иоганн Бекманн (1739-1811) впервые
использовал термин «технология»:
• Способы и средства создания «полезных
умений», совокупность знаний о
промышленном производстве общественно
полезного продукта, экономики и
организации производства.

13.

Технология
• «Знаю как»/Know How
• «умею»
• До появления
технологии
господствовало
искусство
• Момент перехода от
искусства к технологии
создал современную
цивилизацию
• С помощью
технологии все то, что
было доступно
избранным, становится
доступно всем!
• совокупность знаний и
производственных
возможностей для
выпуска конкретной
продукции.

14.

Конечная цель технологии
Важнейший факторы:
• разработка
технологических
процессов для
массового
изготовления
изделий
• Конкурентоспособность
• процветание
национальной
экономики;
• обороноспособность
страны.
14

15. Жизненный цикл Технологий •совокупность стадий от зарождения технологических нововведений до их рутинизации

16. Тенденции современности

• острая
необходимость
перехода от
"сырьевого" к
инновационному
пути развития
производства.
• 21 век – переход от
сырьего к
инновационным
технологиям

17.

• Классические методы
производства подходят
к своему
экономическому и
технологическому
барьеру:
• размер устройства
уменьшается не
намного,
экономические затраты
возрастают
экспоненциально.
• Нанотехнология —
следующий
логический шаг
развития
наукоёмких
производств.

18.

• Создатели техники
стремятся , чтобы
новые изделия по
эффективности и
качеству превосходили
известные.
• В лучших образцах
реализованы
последние достижения
науки
• Улучшение
технических
характеристик тесно
связано с
достижениями
материаловедения.

19. Приоритетные направления

• Разработка новых
материалов и
технологий их
получения и обработки
относят к т.н.
«ключевым»/
«критическим»
аспектам основы
экономической мощи и
обороноспособности
государства.
• Одним из
приоритетных
направлений развития
современного
материаловедения
являются
наноматериалы и
нанотехнологии.

20.

Нанотехнологии
• технологии,
работающие с
объектами,
критический размер
которых по одному из
направлений меньше
100 нанометров.
Размер объектов
• одна миллиардная
часть метра =
0.000000001 м
(нанометр-нм).

21.

Перспективы
переход от традиционных микротехнологий к
нанотехнологиям открывает путь:
• к созданию нанопродуктов и наносистем,
обеспечивающих существенную экономию
сырья и энергии;
• открывающих путь к более эффективному
решению экологических проблем.

22. Порошковая металлургия

область науки и техники,
охватывающая производство
металлических порошков,
изделий из них /их смесей с
неметаллическими
порошками.
__________________________
Металлургия
• Промышленная отрасль,
главная задача которой
производство и обработка
металлов
всегда играла значительную
роль в техническом прогрессе
Сейчас значимость существенно
возрастает
на её основе создаются новые
материалы с
микрокристаллической,
наноразмерной и аморфной
структурой.
Структура позволяет повысить
эксплуатационные св-ва

23. Металлический порошок

• совокупность частиц металла, сплава
или металлоподобного соединения,
находящихся в контакте и не
связанных между собой.

24. Классификация металлов

• Металлические материалы принято
классифицировать по основному
компоненту.
• Все металлы условно поделены на черные
и цветные
• К металлам и сплавам относятся вещества
получаемые порошковой металлургией.
24

25. Признаки чёрных металлов

• темно-серый цвет
• большая плотность (кроме щелочных)
• высокая температура плавления
• относительно высокая твердость
• полиморфизм
25

26. К черным металлам относятся:

• «железные металлы» (железо, ….).
Наиболее типичным черным металлом
является железо.
• тугоплавкие металлы / имеют
температуру плавления выше чем у железа,
т.е. более 1539 С (титан……)
• урановые металлы (актиноиды) : актиний,
уран ……(с 89 до 103 элемента)
26

27.

• редкоземельные металлы : лантан, и
д.р. ( 57-71 элементы)
• щелочные металлы :
литий, натрий……….
27

28. Цветные металлы. Признаки.

• Окраска красная, желтая, белая
• Пластичность
• Малой твердость
• Относительно низкая температура
плавления
• Отсутствие для большинства
полиморфизма
28

29. К цветным металлам относятся

• легкие металлы – магний…
• благородные металлы – золото…
• легкоплавкие металлы – цинк….
29

30. Классификация металлов

31. Содержание элементов в Земной коре

• Золото =5*10-7%, Серебро =4*10-6 %, Олово =6*104%, Бериллий = 5*10-4%, Свинец =8*10-4 %, Цинк =
2*10-2 %, Хром =3.3*10-2 %, Никель = 1.8*10-2
Медь = 0.01 %, Титан =0.58 %, Магний =1.94 %,
Железо =4.7 %, Алюминий =7.5 %,Кремний =25.7
• Анализ приведенных данных показывает,
что наиболее перспективным элементом
для использования в технике является
Алюминий
31

32. Перспектива

• Новые материалы на основе
тугоплавких соединений:
- нитридов и боридов в
кристаллической и аморфной формах
• Наибольшее распространение в
авиационной, космической и
специальной технике приобретает
нитрид кремния (SiN).
32

33. «Металлическая» часть периодической системы Менделеева

34.

35.

Начало порошковой технологии
Кинжал
Тутанхомона
3500 лет назад
Ковка
губчатого
железа
Восстановление
окислов углеродом
Зарождение научных основ
Ломоносов,1752
обобщение
Разрыхление
Рассев
зернение
Соболевский П.Г., 1827
основные техн процессы
порошковой
металлургии при
получения спечённой
платины
Губчатая
порошкрвая масса
Холодное
прессование
Спекание брикета
Горячая деформация
ХХ век - развитие порошковой металлургии
Куидж, вольфрамовая нить накаливания; самосмазывающие
подшипники 1922; твердые сплавы W-Со 1925; магнитные
электроконтактые материалы 1930; конструкционные детали
для автомобилей 1937; остродефицитные металлы и сплавы
1940-ые…
Развитие теоретических основ спекания , формования
Металлические порошки известны с незапамятных времен

36. Преимущества

• порошковая металлургия решает важные задачи
при изготовлении детали/изделия из обычных
материалов, но с более высокими техникоэкономическими показателями.
• Возможность создания и производства новых
порошковых материалов/изделий со
специфическими свойствами, недостижимыми
для других технологий.

37.

Роль в технике
Пористые
материалы
Сверхтвердые
материалы
Конструкционные
детали
Электротехнические
Магнитные материалы
Тугоплавкие
материалы
Композиты

38. Антифрикционные материалы

• Применение спеченных
антифрикционных
материалов в виде
самосмазывающихся
подшипников и других
деталей в узлах трения
увеличивает срок службы в
1,5-10 раз!
• В авиации в тормозных
устройствах:
на стальной каркас наносят
порошковый слой меди,
олова, свинца, графита:
обеспечивается
• прочность стального
каркаса;
высокий коэф. трения,
• износостойкость
плавность торможения
• Увеличивают ресурс.

39. Электротехнические М

• Вольфрамовые нити
накаливания
• Электроконтактные
материалы
- Большие токи на линиях
дальних электропередач
- В коммутирующих
устройствах для операций
«включения-выключения»
Требования
• Сочетание тугоплавкости,
твердости
• Высокой тепло- и
электропроводности,
• Антифрикционных св-в
• Коррозионной стойкости
Решение
• Создание порошковых
сплавов и композитов
Пористый W+Cu/Ag

40. Магнитные материалы

Новые магнитомягкие
материалы
на основе порошков железа с
кремнием и алюминием –
магнитопровода деталей,
работающих в переменных
магнитных полях
нанокристаллические и
аморфные материалы –новый
класс с особо высокой
магнитной проницаемостью,
высокой прочностью и
износостойкостью/
уникальными св-вами
Порошковые магнитотвердые
материалы систем
• «кобальт-редкоземельные
элементы»
• «железо-неодим-бор»
Свойства значительно
превышают св-ва стандартных
сплавов типа «Альнико»
• Ферриты/п/п из соединений
оксида железа с оксидами
других металлов
- Высокое уд.сопротивление,
исключающее магнитные
потери в полях высокой
частоты

41. Тугоплавкие металлы и сплавы

Вольфрам/Тпл=3422 ° С,
молибден/2623 ° С, тантал/3020
°С и др. в виде спеченных
изделий; деформированных
прудков; проволоки, листов
Высокая тугоплавкость,
стойкость к электрической
коррозии , жаропрочность
• Катоды и сетки электронных
ламп, рентгеновских и
газоразрядных трубках;
• Электронагреватели
высокотемпературных печей
• Ниобий – сверхпроводящие
сплавы
• Рений - термопары
• Карбиды тугоплавких Ме,
нитриды бора и др. Тпл
~3000-3500 ° С
• Создание новых
материалов

42. Сверхтвердые материалы

Керметы/керамикоПорошковые материалы для
металлические материалы
сверхтвердых/инструментальных
материалов
• смесь карбидов вольфрама,
титана, тантала с пластичной • на основе алмаза
связкой из кобальта/никеля -карбонадо, балласы;
• Сплавы на основе карбида
W / инструментальные
режущие сплавы
• Нитрида бора
-эльбор, гексанит;
• Кремния- силинит

43. Композиционные материалы

• Упрочнение
металлической
пластичной матрицы
тонкими включениями
неметаллической фазы/
оксиды, нитриды,
карбиды и др. повышает
существенно
жаропрочность и
длительную прочность
Никелевый сплав+Wпроволока длит прочность в
5 раз больше по сравнению с
жаропрочными никель
суперсплавы
Медь+ W-проволока –
прочность выше в 3 раза
Ag+ 15%Al2O3прочность в 3 раза при 500°С
Задание
Найти композиты на основе:
• Никеля
• Меди
• Магния
Описать св-ва и применения

44. Конструкционные детали

• Шестерни, шайбы,
гайки и т.д.
• Железо, стали,
бронзы, латуни и др.
• Крупносерийное и
массовое про-во
• Методы ПМ более
ресурсо- и
энергосберегающие
• Безотходные
порошковые
технологии

45.

Современные тенденции развития и
задачи порошковой металлургии
• 60-ыег. ХХв- технология быстрого затвердевания
сплавов при глубоком переохлаждении
• Кардинально меняется
структура/нанокристаллическая и аморфная
• Новые возможности для создания сплавов с
высокими эксплуатационными св-вами по
сравнению с традиционными материалами

46. Современные тенденции развития и задачи порошковой металлургии

Нанотехнологии
• проводят манипуляции с
веществом на атомном,
молекулярном и
надмолекулярном уровне,
• создавая новые виды
материалов с качественно
новыми свойствами
Наноматериалы
• материалы, содержащие
структурные элементы,
геометрические размеры
которых хотя бы в одном
измерении не превышают
100 нм;
• обладающие качественно
новыми свойствами,
функциональными и
эксплуатационными
характеристиками

47. Отличия от традиционных материалов

• При наноструктурировании
материалы могут получать
новые свойства
В основе такого поведения
лежит тот факт, что
с каждым
свойством вещества связана
характеристическая, или
критическая длина.
• Уменьшение размера зерна с
10мкм до 10нм повысит
прочность металла в ~30 раз.
• Добавление нанопорошка
(размер частиц менее 100нм)
к обычным порошкам при
прессовании и спекании
позволит уменьшить
температуру и повысить
прочность изделий
• Использованиеи тонкой
прослойки из НП,
расположенных между
свариеваемыми деталями,
позволит сваривать
разнородные материалы
(металлы с керамикой)

48.

• Микро- и наноструктура
является необходимым , но
недостаточным условием
получения материалов с
высоким комплексом св-в.
• Необходимо не допустить
образование
дефектов/несплошности в
виде пор, оксидной пленки,
включений, трещин и т.д.
• Используют специальные
методы очистки порошков
и способы пластической
деформации,
обеспечивающие
получение беспористых :
• Горячее изостатическое
прессование;
• Горячая экструзия; ковка,
прокатка…

49. Проблемы

• Высокая стоимость по сравнению с
литым металлом
• Дорогая оснастка для формования
• Отставание теории от практики
затрудняет достижение стабильных
результатов

50. Задачи