Основы технологии порошковой металлургии

 

 

 

 

 

 

 

Н. Г. Крашенинникова    С. Я. Алибеков    Г. П. Фетисов 

 

 

 

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ 

ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ 

 

 

Рекомендовано научно-методическим советом по материаловедению  

и технологии конструкционных материалов при Минобрнауки РФ  

для студентов технических направлений (22.03.01 Материаловедение  

и технология материалов, 15.03.01 Машиностроение,  
15.04.05 Конструкторско-технологическое обеспечение  

машиностроительного производства) 

 

 

 

 

 

 

Йошкар-Ола 

2016 

УДК 621.762 
ББК  34.39 

К 83 

 

Рецензенты: 

доктор физико-математических наук В. А. Севрюгин  

(Марийский государственный университет); 

доктор физико-математических наук Ю. Б. Грунин  

(Поволжский государственный технологический университет) 

 

 

Печатается по решению 

редакционно-издательского совета ПГТУ 

 

 
 
 
 
 
 

Крашенинникова, Н. Г. 

К 83        Основы технологии порошковой металлургии: учебное посо
бие / Н. Г. Крашенинникова, С. Я. Алибеков, Г. П. Фетисов.  – 
Йошкар-Ола: Поволжский государственный  технологический 
университет, 2016. – 288 с. 
ISBN 978-5-8158-1769-2 

 

Рассмотрены методы получения металлических порошков, основные 

технологические операции процесса производства порошковых изделий. 

Для студентов технических направлений 22.03.01 Материаловедение  

и технология материалов, 15.03.01 Машиностроение, 15.04.05 Конструкторско-технологическое 
обеспечение 
машиностроительного 
произ
водства. 

 

УДК   621.762 

ББК 34.39 

 
ISBN 978-5-8158-1769-2 
© Крашенинникова Н. Г.,  

 
Алибеков С. Я.,Фетисов Г. П., 2016  
© Поволжский государственный 
технологический университет, 2016 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 
Порошковая металлургия занимает особое место среди методов об
работки материалов, так как позволяет не только получать изделия различной формы и назначения, но и создавать принципиально новые материалы, которые другим путем получить трудно или вообще невозможно.  

Технология порошковой металлургии высокорентабельна, позволя
ет значительно уменьшить энергетические затраты и расход материалов, 
обеспечивает значительное снижение трудоемкости изготовления металлических изделий, делает возможной полную автоматизацию производства. Кроме того, развитие порошковой технологии способствует 
снижению загрязнения окружающей среды вредными выбросами и 
шлаками. 

Порошковая металлургия является одной из перспективных и быст
ро развивающихся технологий металлургического и машиностроительного производства. Непрерывно увеличивается производство металлических порошков и изделий из них, разрабатываются новые материалы, 
высокоэффективные методы формования порошковых заготовок, развивается научная база порошковой металлургии. Соответственно, повышается потребность в специалистах, знакомых с особенностями и возможностями этой технологии. В связи с этим программы подготовки 
бакалавров и магистров многих технических направлений предполагают 
изучение технологии порошковой металлургии. 

В учебном пособии рассматриваются основные технологические 

процессы порошковой металлургии. Оно состоит из трех разделов (20 
глав). Первый раздел посвящен способам получения и свойствам металлических порошков. Во втором разделе подробно проанализированы 
методы формования порошковых заготовок. В третьем разделе рассматривается формирование структуры и свойств порошковых материалов 
при спекании. В конце каждой главы приводятся контрольные вопросы, 
которые призваны помочь обучающимся систематизировать и закрепить 
изучаемый материал. 

Учебное пособие предназначено для студентов технических направ
лений очной и заочной форм обучения. Оно будет полезно также специалистам, работающим в области порошковой металлургии. 

ВВЕДЕНИЕ 

 
Порошковой металлургией называют область техники, охваты
вающую совокупность методов изготовления металлических порошков и изделий из них или их смесей с неметаллическими порошками.  

История порошковой металлургии началась в глубокой древно
сти. Еще в бронзовом веке люди умели получать и использовать некоторые виды порошков, а также применять для изготовления металлических изделий горячую ковку порошковой массы. Так, в 
гробнице египетского фараона Тутанхамона (XIV в. до н. э.) были 
найдены кованые железные кинжалы, украшенные порошковым золотом, и амулет из железа.  

Широко известен древний индийский памятник – колонна из же
леза чистотой 99,72% имеющая высоту 7,3 м и вес около 6,5 т, установленная в Дели в 415 году. Как показали исследования, она изготовлена по кричной технологии (горячей ковкой железной губки, 
получаемой восстановлением богатых железных руд древесным углем).  

Итак, некоторые приемы порошковой металлургии были извест
ны человечеству уже несколько тысячелетий назад. Однако в ходе 
дальнейшего развития постепенно научились плавить металл, порошковая технология стала неконкурентоспособной, и о ней забыли. 

Начало современного этапа развития порошковой металлургии 

связано с именем российского ученого – профессора Петербургского 
Горного института Петра Григорьевича Соболевского, предложившего использовать порошковую технологию для решения актуальнейшей в тот период проблемы – разработки метода получения изделий из платины (1827 г.). Созданная им технология заключалась в 
получении порошкообразной платины и изготовлении на ее основе 
изделий путем прессования порошка и последующего спекания 
прессованных заготовок, минуя стадии расплавления и литья. 

В начале ХХ века в связи с развитием электротехники потребо
вались новые материалы, которые нельзя было получать известными 
на тот момент методами. Электроламповой промышленности были 
нужны тугоплавкие материалы для нитей ламп накаливания, элек

тромашиностроению – медно-графитовые щетки и т.п. Это послужило мощным толчком к дальнейшему развитию порошковой металлургии.  

В последующие годы было налажено массовое производство са
мосмазывающихся подшипников, изделий из твердых сплавов, магнитных, электроконтактных, конструкционных материалов. 

К началу 1950-х гг. мировое ежегодное производство металличе
ских порошков составляло несколько десятков тысяч тонн. С этого 
периода началось быстрое развитие порошковой металлургии, связанное с созданием крупных специализированных производств порошков и изделий из них. 

В последующие тридцать лет темпы роста продукции порошко
вой металлургии в разных странах в среднем составляли 6-10 %, достигая в отдельные периоды 15-20 % (США, ФРГ, Япония и др.). 

В настоящее время мировое производство металлических по
рошков превышает миллион тонн, в ближайшее десятилетие прогнозируется увеличение производства в 1,5-2 раза. 

Основные направления развития порошковой металлургии свя
заны, во-первых, с изготовлением материалов и изделий со специфическими, часто уникальными свойствами, иногда вообще недостижимыми при использовании других методов производства (тугоплавких, фрикционных, антифрикционных, износостойких, высокопористых, и т.д.).  

Только методами порошковой металлургии возможно получение 

металлических изделий из так называемых «псевдосплавов», т.е. 
материалов, компоненты которых либо резко различаются по температуре плавления, либо вообще не сплавляются между собой (вольфрам – медь, вольфрам – серебро, медь – молибден и др.). 

Методы порошковой металлургии используются также при про
изводстве композитов, к которым относятся дисперсно-упрочненные 
материалы, керметы, материалы, армированные волокнами, широко 
применяемые в различных конструкциях, работающих в условиях 
повышенного износа, агрессивных сред, высоких температур и т. п. 

Другое направление порошковой металлургии – изготовление 

изделий и материалов с обычным уровнем свойств, но при суще

ственно лучших, чем для традиционных методов, экономических 
показателях.  

Использование технологии порошковой металлургии взамен из
готовления деталей из литых металлов позволяет в 2-3 раза повысить коэффициент использования материала: при производстве деталей методами порошковой металлургии потери металла не превышают 5-10 %, в то время как при обработке резанием литых заготовок или проката в стружку может переводиться до 60-70 % металла.  

Кроме того, значительно снижаются трудоемкость изготовления 

деталей, количество обрабатывающего оборудования и обслуживающего его рабочего персонала, а также энергозатраты на производство единицы продукции. 

Технологический процесс производства материалов и изделий 

методом порошковой металлургии включает следующие операции: 
получение порошков чистых металлов и сплавов, приготовление из 
них порошковой смеси заданного состава, прессование (формование) порошковых заготовок (прессовок) заданной формы и размеров; спекание спрессованных заготовок для придания им необходимых механических и физико-химических свойств. 

После спекания, в зависимости от назначения детали и предъяв
ляемых к ней требований, изделия либо поступают непосредственно 
в эксплуатацию, либо подвергаются дополнительной обработке (калибровке, термообработке, химико-термической обработке, пропитке и т.п.). 

 

Часть I 

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И СВОЙСТВА 

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ

 
 

Свойства порошков в значительной степени определяются мето
дом их производства. Многочисленные способы производства металлических порошков подразделяют на две группы: физикомеханические и физико-химические. 

Физико-механические методы обеспечивают превращение ис
ходного материала в порошок без существенного изменения его химического состава. Наиболее широко применяемыми методами этой 
группы являются дробление и размол твердых материалов в дробилках и мельницах различных конструкций, а также диспергирование 
расплавов. 

К физико-химическим методам относят технологические про
цессы производства порошков, связанные с глубокими физикохимическими превращениями исходного сырья. В результате получаемый порошок по химическому составу и структуре существенно 
отличается от исходного материала. К этой группе относятся прежде 
всего методы химического восстановления металлов из их соединений, а также электролиз растворов соединений металлов или расплавленных сред, методы диссоциации карбонилов, межкристаллитной коррозии, термодиффузионного насыщения. 

Выбор метода получения металлического порошка проводят на 

основе анализа требований, предъявляемых к конечной продукции, и 
экономической оценки процессов, влияющих на его себестоимость 
(размер капиталовложений, затрат энергии, стоимости исходного 
сырья и пр.). 

1. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ  

ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВ 

 

1.1. Диспергирование твердых материалов 

 

1.1.1. Общие положения 

 

Измельчение дроблением, размолом или истиранием является 

старейшим методом перевода твердых веществ в порошкообразное 
состояние. Наиболее целесообразно применять механическое измельчение при производстве порошков хрупких металлов, сплавов и 
неметаллических соединений (бериллий, хром, кремний, марганец, 
ферросплавы, оксиды, карбиды, бориды и пр.). Размол пластичных 
металлов, таких как медь, алюминий, серебро, золото, затруднен. 

 В процессе механического измельчения твердого материала на 

него действуют раздавливающие, ударные, истирающие разрушающие усилия.  

Согласно теории дробления, предложенной П. А. Ребиндером, 

работа, затрачиваемая на измельчение, в общем случае представляет 
собой сумму энергии, расходуемой на образование новых поверхностей раздела при разрушении твердого тела, т.е. σΔS, и энергии, затраченной на упругую и пластическую деформацию т.е. кΔV.  Здесь 
σ – удельная поверхностная энергия; ΔS – происходящее при измельчении приращение поверхности; к – работа упругой и пластической деформации на единицу объема твердого тела; ΔV – часть объема тела, подвергнутая деформации.  

При грубом дроблении вновь образующаяся поверхность неве
лика, так как получаемые частицы имеют сравнительно большие 
размеры. В связи с этим энергия, затрачиваемая на образование новой поверхности, намного меньше энергии деформации, а расход 
энергии на дробление приблизительно пропорционален объему разрушаемого тела.  

При тонком измельчении вновь образующаяся поверхность 

очень велика, поэтому расход энергии на измельчение приблизительно пропорционален величине вновь образующейся поверхности. 

При этом работа диспергирования всегда незначительна, так как почти вся энергия измельчающего устройства затрачивается на деформацию разрушаемого тела и его нагрев. Коэффициент полезного 
действия любого устройства для тонкого измельчения очень низок. 
По существующим оценкам, даже при размоле хрупких материалов 
он не превышает 5 %. 

Поведение материала при измельчении является следствием 

двух соперничающих процессов – разрушения и агрегатирования 
(комкования) частиц. Проявление второго процесса связано с явлениями адгезии, физико-химическими процессами, протекающими в 
процессе измельчения. Поэтому в подавляющем большинстве случаев предельный размер частиц, которые удается получить при механическом измельчении материала, не превышает 0,1 мкм.  

Среди методов измельчения твердых материалов наибольшее 

распространение получили обработка металлов резанием, измельчение металла в дробилках и мельницах разного типа, ультразвуковое 
диспергирование. 

 Общая схема получения порошков механическим измельчением 

обычно состоит из следующих операций: 

- грубое измельчение исходного материала в дробилках разного 

типа; 

- измельчение шихты в мельницах различного вида; 
- отжиг порошка для снятия наклёпа. 
 

1.1.2. Грубое измельчение твердого материала 

 
Для предварительного измельчения крупных (до нескольких 

сантиметров) кусковых материалов используют щековые, валковые 
и конусные дробилки  

Щековые дробилки применяют для измельчения спекшейся губ
ки, электродных осадков, крупных кусков рудных концентратов и 
т.п. Дробление материала происходит за счет раздавливания кусков 
между неподвижной и подвижной (качающейся с нижней или верхней осью подвеса) щеками установки. Рабочее пространство между 
щеками называют «пастью» дробилки. Размер получаемых частиц 
составляет 1-4 мм.  

Измельчение материала до крупности частиц 0,5-1 мм обеспечи
вают валковые дробилки. Материал, поступающий в дробилку сверху, захватывается валками, дробится в пространстве между валками 
и под действием силы тяжести выпадает из дробилки.  

Поверхность валков может быть гладкой, рифленой и зубчатой. 

Валковые дробилки с гладкой поверхностью валков применяются 
главным образом для среднего и мелкого дробления твердых материалов. Дробящее действие дробилок с гладкими валками – раздавливание при ограниченном истирании. Дробилки с рифленой и зубчатой поверхностями валков применяются для крупного и среднего 
дробления мягких и хрупких материалов. Эти валки дробят главным 
образом за счет раскалывания материала. 

Эффективность работы валковых дробилок в большой степени 

зависит от условий подачи материала, особенно от непрерывности 
его поступления в щель между валками и равномерности распределения по их длине.  

В конусных дробилках измельчение материала осуществляется в 

камере дробления, в кольцевой полости между рабочей частью поверхности конуса и внутренней поверхностью корпуса дробилки. 
Конусные дробилки обеспечивают измельчение материала до крупности частиц 1-2 мм.  

Молотковые дробилки используются в основном для измельче
ния губчатых материалов (спекшихся при восстановлении порошков, катодных осадков и пр.). Измельчение обрабатываемого материала в них осуществляется за счет удара молотков (бил), укрепленных на валу, вращающемся в рабочей камере со скоростью около 
1500 об/мин. Исходный кусковой материал загружают в приемный 
бункер установки, откуда он поступает в рабочую камеру мельницы, 
в нижней части которой имеется отверстие, закрытое сеткой. Измельченные до нужного размера частицы проваливаются через ситовое полотно в сборник порошка.  

Размол губки в молотковой мельнице происходит в течение не
скольких минут, при этом порошок мало наклепывается и может 
использоваться без рекристаллизационного отжига.