Порошковая металлургия черных и цветных металлов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Казанский национальный исследовательский 
технологический университет 
И. В. Лапин, В. В. Жиляков 
ПОРОШКОВАЯ  
МЕТАЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ
И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Учебно-методическое пособие 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2022 

УДК 621.762:669(075) 
ББК 34.39я7 
Л24 
Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, проф. В. Г. Хозин 
канд. техн. наук, доц. И. А. Женжурист 
Л24 
Лапин И. В. 
Порошковая металлургия черных и цветных металлов : учебно-методическое пособие / И. В. Лапин, В. В. Жиляков; Минобрнауки России, 
Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2022. – 92 с. 
ISBN 978-5-7882-3241-6 
Рассмотрены основные способы получения металлических порошков, 
а также процессы, способы и оборудование для смешивания, формования и спекания порошков. 
Предназначено для бакалавров очной и заочной форм обучения, изучающих 
дисциплину «Материаловедение. Технология конструкционных материалов».  
Подготовлено на кафедре технологии конструкционных материалов. 
УДК 621.762:669(075) 
ББК 34.39я7 
ISBN 978-5-7882-3241-6 
© Лапин И. В., Жиляков В. В., 2022 
© Казанский национальный исследовательский 
технологический университет, 2022 
2

С О Д Е Р Ж А Н И Е
ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................................................... 4 
1. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ И ИХ СВОЙСТВА .................................................. 7 
1.1. Механические способы получения порошков ................................................................................... 11 
1.1.1. Шаровое измельчение .................................................................................................................. 12 
1.1.2. Измельчение воздушное .............................................................................................................. 13 
1.1.3. Распыление .................................................................................................................................... 13 
1.2. Свойства и испытания металлических порошков .............................................................................. 20 
2. СМЕШИВАНИЕ ПОРОШКОВ ......................................................................................................................... 26 
2.1. Характеристики смешивания 
............................................................................................................... 26 
2.2. Смесительные устройства .................................................................................................................... 27 
3. ФОРМОВАНИЕ ПОРОШКОВ ......................................................................................................................... 34 
3.1. Прессование в пресс-формах .............................................................................................................. 37 
3.2. Изостатическое прессование 
............................................................................................................... 44 
3.3. Прокатка порошков .............................................................................................................................. 46 
3.4. Мундштучное прессование 
.................................................................................................................. 49 
3.5. Шликерное  формование ...................................................................................................................... 50 
3.6. Динамическое  формование................................................................................................................. 51 
4. СПЕКАНИЕ ПОРОШКОВ ................................................................................................................................ 54 
4.1. Жидкофазное спекание 
........................................................................................................................ 55 
4.2. Твердофазное спекание ....................................................................................................................... 57 
4.3. Высокотемпературное спекание ......................................................................................................... 63 
4.4. Свойства спеченных изделий и методы их определения 
................................................................. 70 
4.5. Печи для спекания ................................................................................................................................ 74 
5. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ............................................................................................................................. 78 
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И СВОЙСТВА ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ............................................................ 78 
ЛИТЕРАТУРА ..................................................................................................................................................... 89 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 
.................................................................................................................................................... 87 
3

В В Е Д Е Н И Е
Порошковая металлургия – это процесс получения металлических 
порошков и использования их (или смеси металла и неметалла) в качестве сырья для производства деталей и изделий путем формования 
и спекания. Металлический порошок в качестве основного сырья широко используется в машиностроении, металлургии, химической промышленности, электротехнике, радиотехнике и в производстве аэрокосмических материалов, а также в порошковой металлургии, где его 
выход и качество определяют развитие данной отрасли. 
Рис. 1. Металлический порошок 
Металлический порошок обычно представляет собой совокупность металлических частиц размером менее 1 мм, при этом единой регламентации деления интервала размеров частиц не существует. 
Обычно используются следующие фракции: частицы размером от 1000 
до 50 мкм представляют собой обычный порошок; 50 ~ 10 мкм – мелкий 
порошок; 10 ~ 0,5 мкм – очень мелкий порошок; < 0,5 мкм – ультрадисперсный порошок; 0,1 ~ 100 нм – это нанопорошок. Каждая из частиц 
порошка может представлять собой кристалл или множество кристаллов в зависимости от размера частиц и способа получения.  
4 

Металлургия металлических порошков может быть определена 
как анализ свойств металлических порошков, включая их характеристики, изготовление и преобразование металлических порошков в полезные инженерные компоненты.  
Технологии порошковой металлургии позволяют получать детали 
сложной формы. Кроме того, детали, изготовленные с помощью современных технологий порошковой металлургии, обладают следующими 
свойствами:
– высокая прочность – плотная структура определяет повышенную прочность; 
– долговечность – получаемые изделия могут прослужить в тяжелых условиях эксплуатации на протяжении длительного периода; 
– износостойкость – если требуется получить поверхность, которая не истирается под механическим воздействием, следует рассмотреть технологию порошковой формовки; 
– пластичность – можно также получить заготовки повышенной
пластичности. 
Как уже было отмечено, область применения металлических порошков весьма разнообразна. Более того, их использование в порошковой металлургии приводит к получению различных продуктов, включая 
зубные протезы, безмасляные подшипники, автомобильные трансмиссии, бронебойные снаряды, электрические контакты, топливные элементы ядерной энергетики, ортопедические имплантаты, детали бизнес-машин, высокотемпературные фильтры, тормозные колодки самолетов и т. д. Металлические порошки также нашли применение в таких 
продуктах, как пигменты для красок, ракетное топливо, взрывчатые вещества, катализаторы, печатные краски и многие другие. В связи 
с быстрым ростом значения порошковой металлургии в настоящее 
время металлические порошки производятся в больших объемах. 
Существует несколько промышленных и потребительских материалов, которые доступны в виде порошков. К ним относятся злаки 
(зерна и мука), минералы, кофе и металлические порошки. В пересчете 
на тоннаж металлические порошки представляют собой сравнительно 
небольшую активность по сравнению с обычными порошками, такими 
как крупа и песок. Мировое потребление металлического порошка составляет примерно один миллион метрических тонн в год. Наиболее 
широко используемыми металлическими порошками являются железо 
и сталь, далее – алюминий, медь, никель, вольфрам и т. д. 
5 

Соотношение между отгрузками (тоннаж) порошков цветных 
и черных металлов составляет один к четырем, но с точки зрения рыночной стоимости порошки алюминия, серебра и цинка близки по стоимости к порошкам железа. Об этом свидетельствуют последние данные о мировом выпуске металлического порошка, произведенного процессом распыления.  
На рис. 2 отражены цена (в $/кг) порошка, его объем (в т/год) и общая рыночная стоимость (в млн долл.) – так называемая логарифмическая шкала. 
Рис. 2. Объем и стоимость металлических порошков 
6

.  С П О С О Б Ы  П О Л У Ч Е Н И Я  М Е Т А Л Л И Ч Е С К И Х
П О Р О Ш К О В  И  И Х  С В О Й С Т В А  
Металлический порошок можно назвать мелкодисперсным твердым веществом, размер частиц которого не превышает 1000 мкм 
в максимальном размере. Частицы определяются как наименьшая 
единица порошка и у большинства металлических порошков имеют 
размеры 25–200 мкм. В большинстве случаев порошки являются металлическими, однако в некоторых случаях их смешивают с другими 
неорганическими и органическими веществами, такими как полимеры 
или керамика. Порошки имеют различные ориентации, что-то промежуточное между поведением твердого тела и жидкости. Порошки текут 
под действием силы тяжести, заполняя полости или контейнеры штампов, и, следовательно, в этом плане они ведут себя как жидкости. 
Их можно сжимать, подобно газу, однако сжатие, как правило, необратимо, как, например, пластическая деформация металла. Таким образом, металлическому порошку можно легко придать форму с желаемыми свойствами твердого вещества после обработки.  
Рис. 1.1. Образцы различных металлических порошков 
7 

Металлические порошки широко используются в производстве 
высококачественных изделий, требующих точной размерности. В некоторых случаях металлические порошки можно легко изготовить из отдельных металлических частей. Порошки используются для создания 
напольных и строительных конструкций, а также для наплавки, нашли 
широкое применение в машиностроении, нанотехнологиях, металлургии, авиационной промышленности.  
Способы получения порошков цветных металлов разнообразны 
и многочисленны. С их помощью можно производить металлические 
порошки широкого спектра и различных областей применения. Порошковые производственные процессы позволяют точно контролировать 
химический состав и физические характеристики порошков с предписанными свойствами исходя из их приоритета.  
Способы получения металлических порошков условно делятся на 
два типа: механические и физико-химические.  
В случае механических способов получения металлических порошков используются специальные устройства. Особенно выгоден этот 
способ при изготовлении порошков бериллия, сурьмы или хрома. Один 
из наиболее эффективных методов получения металлических порошков – метод распыления. Осуществляется он с помощью специальных 
приспособлений для распыления расплавленного металла. При этом 
металл взаимодействует со сжатым воздухом, после чего направляется 
в воду, за счет чего изготовленные детали становятся более прочными. 
Так же можно получить расплавленный металл. В этом случае металл 
распыляется за счет вращения диска. Этот метод позволяет при необходимости изменять состав порошков.  
Не менее распространенным методом является метод восстановления. С помощью газа и твердых веществ можно проводить восстановление железа, титана и других металлов. Технически прогресс постоянно развивается и предлагает новые способы получения металлических порошков. Очень скоро станет возможным прямое извлечение порошка из руды (например, спеченная деталь). 
Механическое легирование – достаточно простой и эффективный 
метод синтеза как равновесных, так и неравновесных структур коммерческих и научных продвинутых материалов, полученных из первоначальных элементарных порошков. Исключительное преимущество механического легирования заключается в возможности синтеза уникальных сплавов, недоступных для получения другими методами, так как механосплавление представляет собой полностью твердотельный процесс, 
8 

а следовательно, границы, указанные диаграммами состояний, здесь не 
действуют. Механическое легирование обычно осуществляют с помощью высокоэнергетической шаровой мельницы. Грануляция распылением – это когда гранулы образуются распылением связующего раствора в псевдоожиженном слое порошка [3]. Сыпучие мелкие порошки 
обычно имеют низкую кажущуюся плотность, не текут, пылят, обладают 
низкой тепло- и электропроводностью и взрывоопасны в случае реактивных металлов, таких как алюминий, цирконий, магний и многие другие. При этом гранулированные порошки (те же порошки, только в гранулированной форме) легко насыпаются, кажущаяся плотность их 
выше, пылевыделение снижено, обеспечена взрывозащищенность, и они 
более эффективно передают тепловую энергию. Размер частиц порошка 
является доминирующей характеристикой металлического порошка, 
предназначенного для последующего его использования.  
Область применения порошков диктует необходимый размерный 
ряд. Очевидно, что для растущего числа предложений в порошковой 
металлургии (ПМ) требуются субмикронные порошки, полученные химическими или физическими методами. Область применения порошков 
охватывает диапазон размеров частиц от нескольких нанометров до 
гранул в несколько миллиметров.  
Основные проблемы при производстве и переработке металлических 
нанопорошков обусловлены их высокой реактивностью, взрывоопасностью из-за очень высокой удельной площади и агломерации частиц. 
Основные методы и специальные процедуры испытаний характеризуют физические свойства порошков, такие как распределение частиц по размерам, форма частиц и площадь поверхности. Каждый из 
этих параметров может оказать существенное влияние на физическое 
и механическое поведение порошков, изготовленных для производства 
продукции ПМ. Объемные свойства порошков также окончательно рассматриваются методом испытания для определения сжимаемости 
(плотности) – ключевого фактора достижения высокого уровня производства твердых частиц.  
Важно определить сущность основных способов получения порошков цветных металлов, в том числе механических, химико-электролитических и физико-химических. Также важно учитывать такие операции, как обезвоживание, термическая сушка, пассивация порошка, 
классификация порошка по предписанным размерам, смешивание, дозировка и упаковка.  
9 

К перспективным методам и технологиям относятся производства: 
– порошков на медной основе;
– порошков алюминия и алюминиевых сплавов;
– порошков магния и на основе магния;
– титановых порошков;
– порошков никеля;
– порошков цинка;
– огнеупорных порошков металлов;
– порошков редких металлов;
– порошков благородных металлов и многих других порошков
цветных металлов. 
Основные характеристики металлических порошков включают 
распределение частиц по размерам, форму частиц, состояние поверхности и структуру порошка. Эти свойства влияют на объемные свойства, 
такие как реакционная способность, текучесть, сжимаемость, пористость и прокаливаемость, которые улучшаются по мере уменьшения 
размера частиц. Распределение частиц по размерам важно для конечного пользователя по нескольким причинам:  
– прямое влияние на качество готового продукта;
– простое и легкое заполнение матрицы;
– объемное распределение, позволяющее заполнить пустоты
между крупными частицами более мелкими; 
– избыток мелких частиц отрицательно влияет на характеристики
течения; 
– спекание, загрязнение окружающей среды, пирофорность;
– балансировка свойств требует динамического управления процессом. 
В настоящее время существуют десятки способов промышленного 
получения порошков. Однако с точки зрения фактического анализа 
производственного процесса они в основном делятся на механические 
и физико-химические методы получения порошков, которые могут 
быть получены путем прямого рафинирования твердых, жидких и газообразных металлов, причем получаются соединения металлов в различных состояниях восстановлением, пиролизом и электролизом. Карбиды, нитриды, бориды и силициды тугоплавких металлов, как правило, могут быть получены непосредственно путем компаундирования 
или с помощью восстановительно-комбинированного метода. Форма, 
10