Порошковой металлургией называют область техники, охватывающую совокупность методов изготовления порошков металлов и металлоподобных соединений, полуфабрикатов и изделий из них или их смесей с неметаллическими порошками без расплавления основного компонента.
Из имеющихся разнообразных способов обработки металлов порошковая металлургия занимает особое место, так как позволяет получать не только изделия различных форм и назначений,но и создавать принципиально новые материалы, которые другим путем получить или очень трудно или невозможно. У таких материалов можно получить уникальные свойства, я ряде случаев существенно повышается экономические показатели производства. При этом способе практически в большинстве случаев коэффициент исполь-зования материала составляет около 100%.
Порошковая металлургия находит широчайшее применение для различных условий работы деталей изделий. Методами порошковой металлургии изготовляют изделия, имеющие специальные свойства: антифрикционные детали узлом трения приборов и машин (втулки, вкладыши, опорные шайбы и т.д.), конструкционные детали (шестерни, кулачки и др.), фрикционные детали (диски, колодки и др.), инструментальные материалы (резцы, пластины резцов, сверла и др.), электротехнические детали (контакты, магниты, ферриты, электрощетки и др.) для электронной и радиотехнической промышленности, композиционные (жаропрочные и др,)материалы.
Порошки металлов применяли и в древнейшие времена. Порошки меди, серебра и золота применяли в красках для декоративных целей в керамике, живописи во все известные времена. При раскопках найдены орудия из железа древних египтян (за 3000 лет до нашей эры), знаменитый памятник из железа в Дели относится и 300 году нашей эры. До 19 века не было известно способов получения высоких температур (около 1600-1800 С). Указанные предметы из железа были изготовлены кричным методом: сначала а горнах при температуре 1000 С восстановлением железной руды углем получали крицу(губку), которую затем многократно проковывали в нагретом состоянии, а завершали процесс нагревом в горне для уменьшения пористости. На Киевской Руси железо полу-чали за 1400 лет до новой эры.
С появлением доменного производства от крицы отказались и о порошковой металлургии забыли.
Заслуга возрождения порошковой металлургии и превращения ее в особый технологический метод обработки принадлежит русским ученым П.Г. Соболевскому и В.В. Любарскому, которые в 1826 г., за три года до работ англичанина Воллстана, разработали техно-логию прессования и спекания платинового порошка.
Типовая технология производства заготовки изделий методом порошковой металлургии включает четыре основные операции: 1) получение порошка исходного материала; 2)формование заготовок;
3) спекание и 4) окончательную обработку. каждая из указанных операций оказывает значительное влияние на формирование свойств готового изделия.
Производство металлических порошков и их свойства. В настоящее время используют большое количество методов производства металлических порошков, что позволяет варьировать их свойства, определяет качество и экономические показатели.
Условно различают два способа изготовления металлических порошков: 1) физико-механический; 2)химико-металлургический При физико-механическом способе изготовления порошков превращение исходного материала в порошок происходит путём ме-ханического измельчения я твердом или жидком состоянии без изменения химического состава исходного материала. К физико-механическим способам относят дробление и размол, распыление,грануляцию и обработку резанием измельчаемого материала. При химико-металлургическом способе изменяется химический составили агрегатное состояние исходного материала. Основными методами при химико-металлургическом производстве порошков являются:восстановление окислов, электролиз металлов, термическая диссоциация карбонильных соединений.
Механические методы получения порошков. Измельчение твердых материалов - уменьшение начальных размеров частиц путем разрушения их под действием внешних усилий.Различают измельчение дроблением, размолом или истиранием.Наиболее целесообразно применять механическое измельчение хрупких металлов и их сплавов таких, как кремний,сурьма, хром, марганец, ферросплавы, сплавы алюминия с магнием. Размол вязких пластичных металлов (медь,алюминий и др.) затруднен. В случае таких металлов наиболее целесообразно использование я качестве сырья отходов образующиеся при обработке металлов (стружка,обрезка и др.).
При измельчении комбинируются различные виды воздействия на материал статическое -сжатие и динамическое - удар, срез - истирание, первые два вида имеют место при получении крупных частиц, второй и третий - при тонком измельчении. При дроблении твердых тел затрачиваемая энергия выполняет работу упругого и пластического деформирования и разрушения, нагрева материалов, участвующих я процессе размельчения.
Для грубого размельчения используют щековые, валковые и
конусные дробилки и бегуны; при этом получают частицы размером
1---10 мм, которые являются исходным материалом для тонкого
измельчения, обеспечивающего производство требуемых металли-
ческих порошков. Исходным материалом для тонкого измельчения
может быть и стружка, получаемая при точении, сверлении, фре-
зеровании и других операциях обработки резанием; при резании
получают кусочки стружки размером 3...5 мм почти для любых ме-
таллов путем изменения режимов резания,углов резания и введе-
ния колебательных движений
Окончательный размол полученного материала проводится в шаровых вращающихся, вибрационных или планетарных центробежных, вихревых и молотковых мельницах. Шаровая мельница (рис. 1) - простейший аппарат,используется для получения относительно мелких порошков с размером частиц от нескольких единиц до десятков микрометров.
Рис1.Схемы движения шаров в мельнице:а-режим скольжения,б-режим перекатывания, в-режим свободного скольжения,г-режим критической скорости.
Рис2.схема вибрационной мельницы:1-корпус-барабан,2-вибратор вращения,3-спиральные
пружины,4-электродвигатель,5-упругая соединительная муфта.
В мельницу загружают размольные тела
(стальные или твердосплавные шары) и измельчаемый материал.
При вращении барабана шары поднимаются вследствие трения на
некоторую высоту и поэтому возможно несколько режимов измель-
чения: 1) скольжения, 2) перекатывания, 3) свободного падения,
4) движения шаров при критической скорости вращения барабана.
В случае скольжения шаров по внутренней поверхности вращающегося барабана материал истирается между стенкой барабана и внешней поверхностью массы шаров, ведущей себя как единое целое. При увеличении частоты вращения шары поднимаются и скатываются по наклонной поверхности и измельчение происходит между поверхностями трущихся шаров. Рабочая поверхность истирания в этом случае во много роз больше и поэтому происходит более ин-тенсивное истирание материала, чем а первом случае. При большей частоте вращения шары поднимаются до наибольшей высоты и падая вниз (рис. 1,а), производят дробящее действие, дополняемое истиранием материала между перекатывающимися шарами. Это наиболее интенсивный размол. При дальнейшем увеличении частоты вращения шары вращаются вместе с барабаном мельницы, а измельчение при этом практически прекращается.
Интенсивность измельчения определяется свойствами материала, соотношением рабочих размеров - диаметра и длины барабана, соотношением между массой и размерами размольных тел и из-мельчаемого материала. При D:L=3...5 ( D - диаметр, L- длина барабана) преобладает дробящее действие, при D:L<3 - истирающее действие; для измельчения пластичных металлов это соотношение должно быть меньше трех.Масса размольных тел считается оптимальной при 1,7...2 кг размольных тел на 1 л объема бара-бана. Соотношение между массой размольных тел и измельчаемого материала составляет 2,5...3. Для интенсивного измельчения это соотношение увеличивают.Диаметр размольных шаров не должен превышать 1/20 диаметра мельницы. Для увеличения интенсивности измельчения процесс проводят в жидкой среде, препятствующей распылению материала и слипанию частичек. Количество жидкости составляет 0,4 л на 1кг размалываемого материала. Длительность измельчения:от нескольких часов до нескольких суток. В производстве используют несколько типов шаровых мельниц. В различных типах шаровых мельниц соотношение средних размеров частиц порошка до и после измельчения, называемое степенью измельчения , составляет 50. . . 100.
При более высокой частоте воздействия внешних сил на частицы материала применяют вибрационные мельницы (рис. 2). В таких мельницах воздействие на материал заключается я создании сжимающих и срезывающих усилий переменной величины, что создает усталостное разрушение порошковых частиц. В показанной на рис, 2 мельнице дисбалансный вал - вибратор 2, вращающийся с частотой 1000-3000об/мин при амплитуде 2...4 мм вызывает круговые движения корпуса 1 мельницы с размольными телами и измельчаемым материалом. В этом случае измельчение протекает интенсивнее, чем в шаровых мельницах.
Тонкое измельчение трудноразмалываемых материалов часто выполняют на планетарных центробежных мельницах с шарами, используемыми для размола. По сравнению с шаровыми мельницами в планетарных центробежных мельницах, размол в сотни раз интенсивнее и одновременно в несколько раз менее производителен, так эта мельница периодического, но не непрерывного (как шаровая) действия с ограниченной загрузкой измельчаемого материала.
Для размола пластичных материалов используют процесс измельчения, я котором разрушающие удары наносят сами частицы измельчаемого материала. Для этого используют вихревые мельни-цы.
Распыление и грануляция жидких металлов является наиболее простым и дешевым способом изготовления порошков металлов с температурой плавления до1600 С: алюминия, железа, сталей, меди, цинка, свинца, никеля и других металлов и сплавов.
Сущность измельчения расплава состоит в дроблении струи расплава либо высокоэнергонасыщенным газом или жидкостью, либо механическим распылением, либо сливанием струи расплава жидкую среду (например воду). Из многих вариантов наиболее широко применяется схема распыления металлов, представленная на рис. 3, Основной частью технологического узла является форсунка.
Для распыления металл плавят в электропечах.В зависимости от свойств расплава и требований к качеству порошке распыление осуществляют воздухом, азотом, аргоном, гелием, а для защиты от окисления - инертным газом. Распыление воздухом - самый экономичный способ изготовления порошков. Основные параметры процесса распыления:давление и температура газового потока, температура расплава. Охлаждающей средой для распыленной струи может быть вода, газ, органическая жидкость.
При различных условиях распыления получают частички порошка каплеобразной, шарообразной и других форм. Размеры частиц получают от 1 мм до сотых долей миллиметра.
Химико-металлургический метод
Восстановление металлов из окислов и солей. Простейшая реакция восстановления может быть представлена так:
МеА+Х=Ме+ХА+-Q
где Ме - любой металл, А - неметаллическая составляющая (кис-
лород, хлор, фтор, солевой остаток и др.) восстанавливаемого
химического соединения металла, Х - восстановитель, Q - тепло-
вой эффект реакции
Стрелки показывают возможное одновременное существование соединений восстанавлиаемого металла в восстановителя и возможное повторное образование исходного соединения МеА. Восстано-вителем может быть то вещество, которое при выбранной температуре процесса имеет большее ритмическое сродство к неметаллической составляющей восстанавливаемого соединения, чем получаемый. В качестве восстановителей используют - водород, окись углерода, диссоциированный аммиак, конвертированный природный газ,эндотермический и природные газы, кокс, термоштыб и древесный уголь, металлы (кальций, магний , алюминий, натрий,кадмий идр.). Прочность химической связи соединения МеА и образующегося соединения восстановителя ХА позволяет оценить возможность протекания реакции восстановления. Количественной мерой (“мерой химического сродства”) является величина свободной энергии, высвобождающейся при образовании соответствующего химического соединения. Чем больше выделяется энергии, тем прочнее химическое соединение.Иными словами реакция восстановления возможна в том случае, когда при соединении восстановителя ХА выделяется энергии больше, чем при образовании соединения металла МеА по реакции Ме+А=МеА . В реакции восстановления всегда должна выделяться тепловая энергия.
Технологическая практика производства порошков восстановлением. Железные порошки получают восстановлением окисленной руды или прокатной окалины.Железо в указанных материалах находится а виде окислов: Fe2 O3,Fe3 O4,FeO - окиси, закись - окиси и закиси железа. Существующие методы восстановления окислов же-леза разнообразны.
Классификационная схема методов восстановления железа представлена на рис.4.
Восстановление окислов железа.
_________________________________________________________________________
Твердым углеродом Газом Комбинированным способом
_____________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
Сыпучая щихта Брикетированная шихта
____________________________________________________________________
Взвешенное состояние Кипящий слой Стационарный слой
__________
________________________________
________________________________________________________________________
Специальные Тунельная Муфельная Шахтная Печь с шага- Вращающая Кольцевая
агрегаты печь проходная печь ющим подом печь печь
печь
___________ __________ __________ _________ ___________ ___________ ________
_______________________________________________________________
____________________________________________
При умеренном давлении восста- При повышенном давлении восста- При нормальном давлении
новительного газа,р=4-6 ат новительного газа, р=20-40 ат восстановительного газа
При повышенных температурах, При умеренных температурах При высоких температурах
t=800-850 C t=500-600 C t>1000 C
Рис.4 Классификация существующих методов восстановления окислов железа.
Медные, никелевые и кобальтовые порошки легко получают
восстановлением окислов этих металлов, так как они обладают
низким сродством к кислороду. Сырьем для производства порошков
этих металлов служат либо окись меди Cu2O,CuO,закись никеля
NiO , окись - закись кобальта Co2O3,Co3O4, либо окалина от
прокaта проволоки, листов и т.д. Восстановление проводят в му-
фельных или в трубчатых печах водородом, диссоциированным ам-
миаком или конвертированным природным газом. Температура восс-
тановления сравнительно низка: меди - 400...500~С, никеля -
700”...750 С, кобальта - 520..570 С. Длительность процесса
восстановления 1...3 ч при толщине слоя окисла20..25 мм. После
восстановления получают губку, которая легко растирается в по-
рошок
Порошок вольфрама получают из вольфрамового ангидрида,яв-ляющегося продуктом разложения вольфрамовой кислоты Н2WO4 (прокаливание при 700...800 С) или паравольфрамата аммония 5(Na4)2O*12WO3*11H2O(разложение при 300 С и более). Восстановление проводят либо водородом при температуре 850..900 С, либо углеродом при температуре 1350..1550С в электропечах.
Этим методом (восстановления) получают порошки молибдена
титана, циркония, тантала, ниобия, легированных сталей и спла-
вов
Электролиз
Этот способ наиболее экономичен при производстве химически чистых порошков меди. Физическая сущность электролиза (рис.5) состоит в том, что при прохождении электрического тока водный раствор или расплав соли металла, выполняя роль электролита, резлагается, металл осаждается на катоде, где его ионы разряжаютсяМе+ne=Me Сам процесс электрохимического превращения происходит на границе электрод (анод или катод) - раствор. Источником ионов выделяемого металла служат как правило, анод, состоящий из этого металла, и электролит, содержащий его растворимое соединение. Такие металлы как никель, кобальт, цинк выделяются из любых растворимых в виде однородных плотных зернистых осадков. Серебро и кадмий осаждаются из простых растворов в форме разветвленных кристаллитов, а из растворов цианистых солей - в виде плотных осадков. Размеры частиц осаждаемого порошка зависят от плотности тока, наличия коллоидов и поверхностно активных веществ. Очень большое влияние на характер осадков оказывает чистота электролита, материал электрода и характер его обработки.
Производительность злектролиза оценивается на осно-
вании закона Фарадея по электрохимическому эквиваленту
q=cJT
где q - количество выделившегося на электроде порошка,Г., J - сила тока, А., Т - время, Ч., С - электрохимичесиий эквивалент.Количество выделившегося на электроде порошка всегда меньше теоретического из-за протекания точных процессов.
Карбонильный процесс
Карбонилы - это соединения металлов с окисью углерода Me(CO)C, обладающие невысокой температурой образования и разложения. Процесс получения порошков по этому методу состоит из двух главных этапов:
· получение карбонила из исходного соединения
MeаXb+cCO=bX+Mea(CO)c,
· образование металлического порошка
Меа(СО)с= аМе+сСО
Основным требованием к таким соединениям является их легко-летучесть и небольшие температуры образования и термического разложения (кипения или возгонки). На первой операции - синтеза карбонила - отделение карбонила от ненужного вещества Х достигается благодаря летучести карбонила. На втором этапе происходит диссоциация (разложение) карбонила пут м его нагрева. При этом возникающий газ СО может быть использован для образования новых порций карбонилов. Для синтеза карбонилов используют металлсодержащее сырье : стружку, обрезки, металлическую губку и т.п. Карбонильные Порошки содержат примеси углерода, азота, кислорода (1...3%). Очистку порошка производят путем нагрева в сухом водороде или в вакууме до температуры 400...600 С, Этим методом получают порошки железа, никеля, кобальта, хрома, молибдена, вольфрама.
Свойства порошков. Свойство металлических порошков характе-ризуются химическими, физическими и технологическими свойствами. Химические свойства металлического порошка зависят от химического состава,который зависит от метода получения порошка и химического состава исходных материалов. Содержание основного металла в порошках составляет 98...99%. При изготовлении изделий с особыми свойствами, например магнитными, применяют более чистые порошки. Допустимое количестве примесей в порошке определяется допустимым их количеством в готовой продукции. Исключение сделано для окислов железа, меди, никеля, вольфрама и некоторых других,которые при нагреве в присутствии восстановления легко образуют активные атомы металла, улучшающие спекаемость порошков. Содержание таких окислов в порошке может составлять 1...10%. В металлических порошках содержится значительное количество газов (кислород, водород, азот и др.), как адсорбированных на поверхности, так и попавших внутрь частиц в процессе изготовления или при последующей обработке, Газовые пленки на поверхности частиц порошка образуются самопроизвольно из-за ненасыщенности полей силовых в поверхностных слоях. С уменьшением частиц порошка увеличивается адсорбция газов этими частицами.
При восстановлении химических соединений часть газов - восстановителей и газообразных продуктов реакции не успевает выйти наружу и находится либо в растворенном состоянии,либо в виде пузырей. Электролитические порошки содержат водород, вы-деляющийся на катоде одновременно с осаждением на нем металла. В карбонильных порошках присутствуют растворенные кислород, окись и двуокись углерода, а в распыленных порошках - газы, механически захваченные внутрь частиц.
Большое количество газов увеличивает хрупкость порошков и затрудняет прессование. Интенсивное выделение газов из спрессованной заготовки при спекании может привести к растрескиванию изделий. Поэтому перед прессованием или в его процессе применяют вакуумирование порошка, обеспечивающее удаление зна-чительного количества газов.
При работе с порошками учитывают их токсичность и пирофорность. Практически все порошки оказывают вредное воздействие на организм человека однако и компактном виде (в виде мелких частичек порошка) большинство металлов безвредно. Пирофорность, т.е. способность к самовозгоранию при соприкосновении с воздухом, может привести к воспламенению порошка и даже взрыву. Поэтому при работе с порошками строго соблюдают специальные меры безопасности. Физические свойства частиц характеризуют; форма, размеры и гранулометрический состав,удельная поверхность, плотность и микротвердость.
Форма частиц.В зависимости от метода изготовления порошка
получают соответствующую форму частиц: сферическая - при кар-
бонильном способе в распылении, губчатая - при восстановлении,
осколочная - при измельчении в шаровых мельницах, тарельчатая
· при вихревом измельчении, дендритная - при электролизе,каплевидная - при распылении. Эта форма частиц может несколько изменяться при последующей обработке порошка (размол, отжиг, грануляция). Контроль формы частиц выполняют на микроскопе. Форма частиц значительно
29-04-2015, 04:08