Основные понятия о технологических процессах порошковой металлургии. Структура и элементы технологических процессов порошковой ме

     Определение станкоемкости и технологической  трудоемкости на 1 тонну для операций подготовки и приготовления шихты, спекания, маслопропитки, термообработки и др.

3. Основные направления и перспективы развития технологических процессов порошковой металлургии.  

3.1 Основные направления и перспективы развития технологических

процессов порошковой металлургии  

     Благодаря структурным особенностям продукты порошковой металлургии более термостойки, лучше переносят воздействие  циклических колебаний температуры  и напряжения, а также ядерного облучения, что очень важно для материалов новой техники.

     Недостатки  порошковой металлургии и некоторые  ее достоинства нельзя рассматривать  как постоянно действующие факторы: в значительной степени они зависят  от состояния и развития как самой  порошковой металлургии, так и других отраслей промышленности. По мере развития техники порошковая металлургия может вытесняться из одних областей и, наоборот, завоевывать другие. Развитие дугового, электроннолучевого, плазменного плавления и электроимпульсного нагрева позволили получать не достижимые прежде температуры, вследствие чего удельный вес порошковой металлургии в производстве несколько снизился. Вместе с тем прогресс техники высоких температур ликвидировал такие недостатки порошковой металлургии, как, например, трудность приготовления порошков чистых металлов и сплавов: метод распыления дает возможность с достаточной полнотой и эффективностью удалить в шлак примеси и загрязнения, содержащиеся в металле до расплавления. Благодаря созданию методов всестороннего обжатия порошков при высоких температурах в основном преодолены и трудности изготовления беспористых заготовок крупных размеров.

     Порошковая  металлургия - малотоннажное производство с большой перспективой. 

     Среди многообразных способов обработки  металлов порошковая металлургия занимает свое особое место, так как позволяет получать не только изделия различных форм и назначений, но и создавать принципиально новые материалы, которые другим путем получить достаточно сложно. В России насчитывается около 30 предприятий, которые освоили подобное производство.

     Устойчивый  спрос на изделия из медных порошков наблюдается в машиностроении, автопроме, электротехнической промышленности, производстве нефтегазового оборудования, запорной арматуры и бытовой техники. У  материалов, изготовленных методом порошковой металлургии, можно получить широчайший диапазон свойств, порой уникальных. К примеру, можно регулировать физические, механические, электрические, магнитные и др. свойства производимой продукции. И как показывает практика, эта продукция обладает высокими эксплуатационными характеристиками и более низкой себестоимостью в сравнении с аналогами, полученными методами литья, механической обработки, вырубки и, соответственно успешно конкурируют с ними. Есть целый ряд материалов и изделий, которые вне технологии порошковой металлургии не получить никаким другим способом, например, пористые бронзо-графиты и дисперсно-упрочненные композиционные материалы. Неоспоримое, и, пожалуй, наиболее важное преимущество порошковой металлургии - это экономия металла. Например, при литье, мехобработке, вырубке из проката и прутковых заготовок коэффициент использования металла составляет от 30-60 %, а у изделий из порошков он превышает 90 %.

     Не  последнее место занимает порошковая металлургия и в нашей стране. Она представленна такими предприятиями как «Уральский завод твердых сплавов», «Краснопахорский завод композиционных изделий из металлических порошков» и многими другими. По прогнозам, емкость российского рынка порошковых изделий на медной основе составляет около 10 тыс. тонн в год, пока же у нас в стране производится и потребляется примерно 3 тыс. тонн. Неоспоримым доказательством полезности использования порошковых является то, что в период кризиса эти предприятия не только выживают, но и расширяют производство. Поэтому сегодня порошковая металлургия прочно занимает свою индивидуальную рыночную нишу за рубежом. Ряд основных достоинств порошковой металлургии - постоянно действующий фактор, который, вероятно, сохранит свое значение и при дальнейшем развитии техники, а  учетом того, что Россия, вследствие высокой изношенности основных фондов, предстоит «всеобщая техническая модернизация» емкость рынка может оказаться и больше. В этих условиях открывается широкий простор для развития этого производства и наиболее приоритетным все же является внутренний рынок. С увеличением масштабов выпуска и совершенствованием методов изготовления порошков решатся такие проблемы порошковой металлургии как: дороговизна исходных материалов. При массовом производстве расходы связанные с необходимостью изготовления индивидуальных приспособлений (пресс-форм) для каждого вида деталей сократятся до минимума. С исследованием и использованием на производстве получения чистых порошков распылением расплавленного железа решены такие проблемы как необходимость получения достаточно чистых исходных материалов. 

     3.2 Инновационные технологии 

     За  последние годы объемы государственного финансирования исследований и разработок в области нанотехнологии в разных странах мира увеличились в разы. Национальные программы по развитию нанотехнологий приняты уже более чем в 30 странах мира. С новейшими открытиями в этой области связан прогресс в самых разнообразных областях промышленной индустрии: биотехнологии, микроэлектроники, химической промышлен-ности, машиностроении, авиакосмической технике и т. д. В соответствии с существующими прогнозами мировой объем производства в области нанотехнологий через 10-15 лет должен превысить 1 трлн. долларов.

     С помощью нанотехнологий сегодня  создаются новые углеродные, тугоплавкие, сверхтвердые, магнитные композиционные материалы в виде керамических, полимерных, слоистых и пленочных малоразмерных структур, новых адсорбентов, ионообменников, катализаторов, эмульсий, имплантантов, фильтров, мембран, сенсоров. На основе кремния и окиси алюминия разрабатываются и создаются устройства для систем наноэлектроники.

     Практическая  реализация разработанных методов  получения новых материалов имеет  место в металлургической промышленности, машиностроении, выпуске полимерных материалов и покрытий с уникальными свойствами, а также в медицине и фармакологии.

     По  данным BCC Market Research, рынок США по функциональным, конструкционным керамическим изделиям сложной формы составил в 2006 г. более  трех миллиардов долларов. В модернизацию полимеров и пластмасс для автомобилестроения Германия вкладывает десятки миллионов долларов, тогда как в России сектор нанотехнологий, названный президентом в списке приоритетных направлений, получил в прошлом году менее 4 млрд. рублей. В 2007 году общий объем финансирования этого сектора в России составит 30 млрд. рублей. Остается надеяться, что эти средства дадут видимый эффект для развития российских нанотехнологий.

     Применение  в промышленности новых технологий получения конструкционных металлических и керамических композитов с нанофазной и нанокристаллической структурой дает долгосрочный энерго- и ресурсосберегающий эффект, позволяет повысить экономическую эффективность производства, ресурс работы ответственных деталей и узлов технологического оборудования в 1,5 - 2 раза по сравнению с металлическими изделиями аналогичного назначения при значительном снижении веса детали. Например, разделительная шайба из конструкционной нанокерамики для погружных насосов весит всего 200 г, крепежные центры для электрохимической обработки - 50 г, а вес твердого электролита для датчиков определения содержания кислорода в расплавах металлов составляет всего один грамм. При этом прочность и твердость крепежных центров вдвое выше, чем аналогичных деталей из тантала, они имеют в 2-3 раза более высокий ресурс работы и сохраняют прецизионную точность при электрохимической обработке.

     Наиболее  освоенный в России сектор нанотехнологий - производство нанопорошков. Нанопорошки  металлов используются для твердотопливных  ракетных ускорителей, в химической промышленности, в составах для низкотемпературной пайки в электронной промышленности, в солнечной и водородной энергетике. Металлосодержащие присадки к смазочным материалам на основе нанопорошков мягких металлов обеспечивают снижение износа двигателя в 1,5 раза, расход масла - до 20%, топлива - до 5%, дымности - в 1,4 - 1,6 раза и токсичности выхлопных газов - на 20-30%; снижение вибрации подшипников - на 25 - 30% и увеличение ресурса работы подшипников - в 1,5 - 2 раза. Нанопорошки металлов и химических соединений - ЭВП-порошки удобны в обращении, менее пирофорны или непирофорны (не склонны к возгоранию) по сравнению с порошками, полученными другими методами.

     На  основе наноструктурированных ультрадисперсных металлических порошков создаются принципиально новые высоко-прочные и тугоплавкие материалы. Так, например, оксиды и гидрооксиды алюминия используются в качестве наполнителей при получении негорючих полимерных композиций для тонких покрытий, а также в качестве огнезащитных составов (антипиренов), наполнителей в композиции с целлюлозой и акриламидом для получения негорючей и дезодорирующей бумаги. Al (OOH)-бемит используется в качестве пигмента, а также для создания искусственного мрамора с полимерами, для изготовления цветных лаков в фармацевтической промышленности и для производства декоративных материалов - каменных красок и смальт. При изготовлении корундовой керамики бемит используется в качестве модифицирующей добавки (15-20%). Оксид алюминия (Al2O3-корунд) применяется при изготовлении абразивных и шлифовальных инструментов и для получения расклинивающих агентов в нефтеперерабатывающей промышленности. В производстве композиционных материалов на основе стеклоткани Т-10 и эпоксидной смолы ЭД-6 Al2O3 корунд применяется как нанокристаллической наполнитель гелевого состава, который наносится на поверхность материала.

     Композиционные  порошковые материалы на основе железа и меди успешно используются в  производстве облицовок кумулятивных зарядов для перфорации нефтегазовых скважин. Такие облицовки при подрыве заряда не образуют песта и не забивают канала, пробиваемого кумулятивной струей. Новые керамические материалы со структурой псевдокристаллов применяются в осветительных приборах, подавляющих нежелательные области спектра, в электронно-лучевых трубках и линиях оптоволоконной связи.

     Процесс производства нанопорошков с размером частицы от 10 до 500 нм в атмосфере  газов (воздух, азот, аргон, гелий, ксенон) освоили сотрудники ряда институтов Сибирского отделения РАН. В проекте  приняли участие Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера, Институт катализа им. Г.К. Борескова, Институты физики полупроводников, неорганической химии, химии и химической технологии, теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича, Кемеровский филиал Института химии твердого тела и механохимии СО РАН, Институт химии (Владивосток), а также НПФ «Кварц» (Тюмень), Новосибирский электровакуумный завод и ОАО «Катод» (Новосибирск). Для испарения частиц материала при скорости нагрева более тысячи градусов в секунду был использован электронный ускоритель, промышленный выпуск которого налажен ИЯФ. В отличие от многих других промышленных способов производства порошков этот абсолютно нетоксичен и позволяет получать до десятков килограммов в час порошков различных материалов - оксида и диоксида кремния, оксида магния, алюминия, а также чистых металлов - тантала, молибдена, никеля, серебра, алюминия, титана и других. Интересный факт подчеркнул в своем докладе Сергей Бардаханов (ИТПМ СО РАН). Оказывается, при измельчении кремния до наноразмеров частицы порошка начинают светиться в ультрафиолетовом спектре лучей. По мнению ученых, это свойство можно использовать в области наноэлектроники.

     Нанопорошки цинка, меди и медных сплавов со средним  размером частиц  около 100 нм выпускает в Екатеринбурге ЗАО НПП «Высокодисперсные металлические порошки» (ВМП). Проектная производительность установок предприятия - до 10 т/год. Процесс получения порошков включает расплавление и испарение металла, конденсацию пара в потоке инертного газа и накопление образовавшегося порошка в холодной части корпуса аппарата. Нанопорошки медного сплава в промышленном масштабе применяются на ВМП для производства противоизносных препаратов марки «РиМЕТ». Попадая в зону трения и подвергаясь интенсивной пластической деформации, медный сплав разлагается, освобождая наночастицы меди с повышенной энергией, которые встраиваются в поверхностные слои металла. Происходит микро-модифицирование поверхности металла и образование наноструктурного покрытия, сочетающего в себе высокую твердость с повышенной пластичностью. Это покрытие компенсирует и предотвращает износ трущихся поверхностей непосредственно в процессе эксплуатации. За 15 лет своего существования предприятие наладило выпуск целой линейки нанопорошков, используемых, в частности, для создания антикоррозийных лакокрасочных покрытий, повышения качества порошковых сталей, шинных резин, в производстве теплопроводящих паст. «Небольшие добавки (0,25-0,5 мас. %) нанодисперсных порошков металлов в комбинированный наполнитель для шинных резин на основе каучуков повышают условную прочность, сопротивление раздиру и прочность связи с металлокордом. Легирование порошкового железа нанодисперсным порошком меди существенно улучшает его пластические характеристики: относительное удлинение возрастает в пять раз, ударная вязкость - в три раза, твердость - на 25% по сравнению со сталями, легированными порошками меди с размером зерна 15-125 мкм», - комментирует представитель компании Любовь Золотухина.

     Порошковые  электротехнические материалы используются в ресурсосберегающей технологии изготовления заготовок коллекторов ряда электрических машин - автомобильных стартеров, электроприводов промышленных и бытовых приборов. Сущность технологии состоит в получении из спеченной медной заготовки холодным выдавливанием кольцевой поковки с профильными пазами на внутренней поверхности по числу ламелей. За эту разработку в 1998 году Белорусский государственный научно-производственный концерн порошковой металлургии получил приз Европейской ассоциации ЕРМА в номинации «Новые технологии». Многие из освоенных технологий института со временем и там, где это может принести ощутимый эффект, перешли от микро- и субмикрочастиц к наноразмерным частицам. Например, в направлении разработки керамических материалов. Проводятся исследования наноструктурной керамики, получаемой традиционными высокоэнергетическими методами нагружения. Предположительно за счет высокой гомогенности и увеличившегося количества межчастичных контактов в такой керамике будет создан новый класс тугоплавких материалов, а также магнитных и изолирующих материалов для электротехники и электроники с повышенными электрофизическими параметрами. Наиболее вероятная перспектива применения наноматериалов - использование их в медицине. На этот сектор ученые возлагают большие надежды, поскольку здоровье человека - один из немногих пунктов, на которых, по возможности, не экономят. Директор Института порошковой металлургии, лауреат Государственной премии РБ, д. т. н., профессор Александр Ильющенко представил доклад по перспективному направлению использования нанопорошков гидроксиаппатита для обработки поверхности офтальмологических имплантантов и в качестве лекарственного препарата остеокондуктивного действия, а также рассказал о применении пористого титана, обладающего повышенной биосовместимостью, в качестве костных имплантантов.