Порошковая металлургия
Порошковая металлургия
Порошковая металлургия
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.
[pic]
Рис1.Схемы движения шаров в мельнице:а-режим скольжения,б-режим
перекатывания, в-режим свободного скольжения,г-режим критической скорости.
[pic]
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:L1000 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 влияет на плотность,
прочность и однородность свойств прессованного изделия. Размер частиц и
гранулометрический состав. Значительная часть порошков представляет собой
смесь частиц порошка размером от долей микрометра до десятых долей
миллиметра.Самый широкий диапазон размеров частиц у порошков полученных
восстановлением и электролизом. Количественное соотношение объемов
частиц различных размеров к общему объему порошка называют
гранулометрическим составом.
Удельная поверхность - это сумма наружных поверхностей всех
частиц,имеющихся в единице объема или массы порошка. Для металлических
порошков характерна величина удельной поверхности от 0.01 до 1 м2/г (у
отдельных порошков - 4 м2/г у вольфра-ма, 20 м2/г у карбонильного никеля) .
Удельная поверхность по-рошка зависит от метода получения его и значительно
влияет не прессование и спекание.
Плотность. Действительная плотность порошковой частицы, носящая
название пикнометрической, в значительной мере зависит от наличия примесей
закрытых пор, дефектов кристаллической решетки и других причин и
отличается от теоретической.Плотность определяют в приборе - пикнометре,
представляющем собой колбочку определенного обьема и заполняемую сначала
на 2/3 объема порошком и после взвешивания дозаполняют жидкостью,
смачивающей порошок и химически инертной к нему. Затем снова взвешивают
порошок с жидкостью. И по результатам взвешиваний находят массу порошка в
жидкости и занимаемый им объем. Деление массы на объем позволяет вычислить
пикнометрическую плотность порошка.Наибольшее отклонение плотности
порошковых частиц от теоретической плотности наблюдают у восстановленных
Страницы: 1, 2, 3
|