Применение порошковой металлургии в промышленности.Свойства и получение порошковых материалов
Введение
Порошковая
металлургия занимается изготовлением металлических порошков и разнообразных
изделий из них. Характерной особенностью порошковой металлургии как
промышленного метода изготовления различного рода материалов является
применение исходного сырья в виде порошков, которые затем прессуются
(формуются) в изделия заданных размеров и подвергаются термической обработке
(спеканию), проводимой при температурах ниже температуры плавления основного
компонента шихты /1/.
Порошковая
технология – это широкая область получения дисперсных тел, применяемых в
разнообразных отраслях производства – порошковой металлургии, керамической
промышленности, получении пищевых и лекарственных продуктов, удобрений,
топлива, строительных материалов и др. /2/. Вследствие некоторого внешнего
сходства технологии порошковой металлургии с технологией керамического производства,
изделия, изготавливаемые методами порошковой металлургии, широко известны также
под названием металлокерамических.
Основными
элементами технологии порошковой металлургии являются следующие:
·
получение
и подготовка порошков исходных материалов, которые могут представлять собой
чистые металлы или сплавы, соединения металлов с неметаллами и различные другие
химические соединения;
·
прессование
из подготовленной шихты изделий необходимой формы в специальных пресс-формах,
т.е. формование будущего изделия;
·
термическая
обработка или спекание спрессованных изделий, придающее им окончательные
физико-механические и другие
·
специальные
свойства.
В
производственной или исследовательской практике иногда встречаются отклонения
от этих типичных элементов технологии, например совмещение операций прессования
и спекания, пропитка пористого брикета расплавленными металлами, дополнительная
механическая и другая обработка спеченных изделий и пр. Однако основной принцип
технологии – применение исходной порошковой шихты и спекание ниже температуры
плавления основного элемента, образующего спрессованное тело – остается
неизменным /1/.
Метод порошковой
металлургии обладает рядом преимуществ:
·
возможность
изготовления материалов, содержащих наряду с металлическими составляющими и
неметаллические, а также материалов и изделий, состоящих из двух (биметаллы)
или нескольких слоев различных металлов;
·
возможность
получения пористых материалов с контролируемой пористостью, чего нельзя
достигнуть плавлением и литьем.
Наряду с
преимуществами порошковой металлургии следует отметить и недостатки,
затрудняющие и ограничивающие широкое ее распространение. К основным
недостаткам следует отнести высокую стоимость порошков металлов и отсутствие
освоенных методов получения порошков сплавов – сталей, бронз, латуней и пр. Изделия,
получаемые из металлических порошков, вследствие пористости обладают повышенной
склонностью к окислению, причем окисление может происходить не только с
поверхности, но и по всей толщине изделия. Металлокерамические изделия обладают
также сравнительно низкими пластическими свойствами (ударная вязкость,
удлинение) /3/.
1
Методы изготовления порошковых материалов
Порошковый
материал – совокупность частиц металла, сплава или металлоподобного соединения
с размерами до 1 мм, находящихся во взаимном контакте и не связанных между
собой /4/.
Все сыпучие тела
состоят из частиц и межчастичных (внешних) пор. Частицы порошков, в свою
очередь, могут подразделяться на более мелкие структурные элементы.
Металлические частицы практически всегда содержат примеси, распределенные как
по поверхности, так и в виде внутренних включений, и часто имеют
внутричастичные поры.
Частицы могут
иметь самую разнообразную форму. Можно подразделить различные структуры на три
основные группы:
·
волокнистые
или игольчатые частицы, длина которых значительно превышает их размер по другим
измерениям;
·
плоские
частицы (пластинки, листочки, таблицы), длина и ширина которых во много раз
больше толщины;
·
равноосные
частицы с примерно одинаковыми размерами по всем измерениям.
Частицы отделены
одна от другой порами (межчастичными) и контактными промежутками. Поры в
непрессованных порошках занимают обычно 70-85% всего объема. Кроме пор
межчастичных, порошки могут иметь и внутричастичные поры. Размер межчастичных
пор увеличивается с повышением размера частиц и уменьшением плотности их
укладки.
Вследствие
значительного размера удельной поверхности количество поверхностных примесей на
единицу массы (главным образом окислов) у порошков, особенно тонких, значительно
больше, чем у компактных тел. В порошках также имеются и внутричастичные
примеси – включения загрязнений, окислов и т.п. Возможно также механическое
загразнение порошков отдельными частицами примесей /5/.
Производство
порошка – первая технологическая операция метода порошковой металлургии.
Существующие способы получения порошков весьма разнообразны – это делает
возможным придания изделиям из порошка требуемых физических, механических и
других свойств. Также метод изготовления порошка определяет его качество и
себестоимость. Выделяют два способа получения порошков: физико-химические и
механические.
К
физико-химическим методам относят технологические процессы производства
порошков, связанные с глубокими физико-химическими превращениями исходного
сырья. В результате полученный порошок по химическому составу существенно
отличается от исходного материала. К физико-химическим методам относятся:
электролиз, термическая диссоциация карбонильных соединений, восстановление
оксидов твердыми восстановителями и газами, метод испарения и конденсации и др.
Под механическими
методами получения порошков понимают технологические процессы, при которых в
результате действия внешних механических сил исходный металл измельчается в
порошок без изменения его химического состава. Чаще всего используется
измельчение твердых материалов в мельницах различных конструкций. К
механическим методам относят: измельчение металла резанием, размол в шаровых
мельницах, измельчение в вихревых мельницах, дробление в инерционных дробилках,
распыление струи жидкого металла паром, водой, сжатым газом.
Более
универсальными являются физико-химические методы, но в практике порошковой
металлургии четкой границы между двумя методами получения порошка нет. Чаще
всего в технологическую схему производства порошка включаются отдельные
операции как механических, так и физико-химических методов получения порошка.
Получение
металлических порошков путем восстановления из оксидов является наиболее
распространенным, высокопроизводительным и экономичным методом /6/.
Восстановление –
процесс получения металла, материала, вещества или их соединений путем отнятия
неметаллической составляющей (кислорода или солевого остатка) из исходного
химического соединения /4/.
Порошки,
получаемые восстановлением, имеют низкую стоимость, а в качестве исходных
материалов при их получении используются рудные концентраты, оксиды, отходы
металлургического производства. Эта особенность метода восстановления
обусловила его широкое практическое применение. В настоящее время этим методом
получают порошки многих металлов /6/.
В общем случае
химическую реакцию восстановления можно представить:
MeX + B ↔ Me + BnXm ± Q,
где Х –
неметаллическая составляющая,
В –
восстановитель (углерод в виде кокса, сажи, древесного угля, природных газов; Н2; СО; СО2; активные металлы) /4/.
Восстановление
металлов из оксидов может производиться твердыми или газообразными
восстановителями. К числу активных газообразных восстановителей относятся
водород, окись углерода и различные газы, содержащие СО и Н2. В качестве
твердого восстановителя используют углерод и металлы, имеющие большее
химическое сродство к кислороду: натрий, кальций и магний. Восстановление
одних металлов при помощи других, имеющих большее сродство к кислороду,
называется металлотермией.
Среди восстановителей
углерод (благодаря низкой стоимости и простоте процесса восстановления) находит
широкое применение. Недостатком процесса является возможность науглероживания
восстанавливаемых металлов, что ограничивает этот процесс. Восстановление
углеродом наибольшее распространение имеет при получении порошков железа,
хрома, вольфрама и некоторых других металлов, а также при непосредственном получении
порошков из оксидов карбидов.
В связи с тем,
что металлы по восстановимости оксидов разделяются на легко восстановимые
(медь, никель, кобальт, железо, вольфрам и молибден) и трудно восстановимые
(хром, марганец, ванадий, алюминий, магний), для восстановления многих оксидов
требуются более сильные по сравнению с углеродом восстановители. Нередко для
получения порошков, не загрязненных углеродом, например, порошков кобальта,
вольфрама, молибдена, в качестве восстановителя применяется водород.
Независимо от
восстановителя метод получения порошков восстановлением является гибким
процессом. Частицы порошков получаются губчатыми в виде многогранников с сильно
развитой поверхностью, которые благодаря большой пористости хорошо прессуются.
Размеры частиц определяются температурой восстановления: чем ниже температура,
тем мельче получаются частицы порошков.
Восстановление
металлических оксидов металлами применяется только в том случае, когда
восстановление углеродом или газом является невозможным или непрактичным /6/.
2
Методы контроля свойств порошков
2.1
Химические свойства
Химические
свойства порошков зависят от содержания основного металла или основных
компонентов, входящих в состав комплексных порошков, а также от содержания
примесей, различных механических загрязнений и газов. Также важными химическими
особенностями порошков являются их воспламеняемость, взрываемость и
тоскичность.
Содержание
основного металла в порошке или сумма основных компонентов сплава составляет
обычно более 98-99%, что для последующего изготовления большинства порошковых
материалов достаточно. В некоторых случаях при производстве изделий с особыми
свойствами (например, магнитными) применяют более чистые металлические порошки.
Предельное
количество примесей в порошках определяется допустимым содержанием их в готовой
продукции. В металлических порошках содержится значительное количество газов
(кислорода, водорода, азота и др.) как адсорбированных на поверхности, так и
попавших внутрь частиц в процессе изготовления или при последующей обработке.
Воспламеняемость
порошка связана с его способностью к самовозгоранию при соприкосновении с окружающей
атмосферой, которая при относительно невысоких температурах может привести к
воспламенению порошка или даже взрыву.
Пожароопасность
зависит от химической природы и чистоты металла, крупности и формы частиц
порошка, состояния их поверхности (пленки оксидов уменьшают пожароопасность, а
шероховатость усиливает ее).
Воспламеняемость
порошка зависит от того, находится ли он в свободно насыпанном состоянии (в
виде аэрогеля) или в виде взвеси в окружающей атмосфере (в виде аэрозоля). Для
аэрогелей определяют температуры самонагревания, тления, самовоспламенения, а
также энергию воспламенения.
Взрываемость
порошка. Сверхвысокие скорости химического взаимодействия порошка с кислородом
приводят к почти мгновенному выделению энергии, которое сопровождается образованием
и распространением взрывной волны (происходит взрыв).
Металлические
порошки, располагающиеся слоем (аэрогели), не способны взрываться. Поэтому,
рассматривая взрываемость порошков, имеют в виду взрываемость аэрозолей, т.е.
взвеси металлических частиц в газе.
Характеристики
взрываемости зависят от дисперсности металлического порошка, степени его
окисленности и содержания кислорода в газовой фазе.
Токсичность
порошка. Практически пыль любоко из металлов, в том числе и совершенно
безвредных в компактном состоянии, воздействует на человека и может вызвать
патологические изменения в его организме, фиброгенные и аллергические
заболевания. Степень опасности для здоровья человека металлических пылей
зависит от их химического состава и степени окисленности, размера частиц, их
концентрации, длительности воздействия, путей проникновения в организм и т.д.
Технологические и санитарно-технические мероприятия должны поддерживать в
производственных помещениях концентрацию пыли на уровне ниже нормы ПДК /7/.
Согласно заданию
дан порошок ПХ30-1, полученный методом восстановления. Его химический состав:
70% железа, 30% хрома.
2.2
Физические свойства
К физическим
свойствам порошка относятся форма и размер частиц, гранулометрический состав,
удельная поверхность частиц, пикнометрическая плотность и микротвердость.
Форма и размер
частиц. В зависимости от химической природы металла и способа получения,
частицы порошка могут иметь различную форму – сферическую (карбонильные),
каплеобразную (распыленные порошки), губчатую (восстановленные), тарельчатую
(при размоле в вихревых мельницах), дендритную (электролитические), осколочную
(при размоле в шаровых и вибромельницах), волокнистую и лепесткововидную
(получение при плющении).
Форма частиц
порошков оказывает большое влияние на насыпную плотность и прессуемость, а
также на плотность, прочность и однородность прессовок.
В зависимости от
метода получения порошков их размеры могут колебаться в больших пределах. В
связи с этим порошки классифицируются на ультратонкие с размером частиц до 0,5
мкм; весьма тонкие – от 0,5 до 10 мкм; тонкие – от 10 до 40 мкм; средней
тонкости – от 40 до 150 мкм и крупные (грубые) – свыше 150 мкм.
Гранулометрический
состав. Размер частиц является важнейшей технологической характеристикой
порошков. Величина частиц, а особенно так называемый набор зернистости, т.е.
соотношение количества частиц разных размеров (фракций) выраженное в процентах,
называется гранулометрическим составом. Данные по гранулометрическому составу
входят в качестве обязательного требования к техническим условиям на порошки.
От размера частиц
порошков в сочетании с другими свойствами зависят насыпная плотность, давление
прессования, усадка при спекании,
Страницы: 1, 2
|