Хімічні властивості

Викладено фізико-хімічні закономірності основних методів отримання порошків металів сплавів і тугоплавких сполук, найбільш поширених у практиці отримання виробів методами порошкової металургії. Розглянуто закономірності технологічних процесів та наведено характеристику використовуваного обладнання.

С79

Гриф надано Міністерством освіти і науки України

07.08.2006 р.

Рецензенти: Член-кор. НАНУкраїни, д.т.н., проф. В. П. Бондаренко

(Інститут надтвердих матеріалів НАНУ ім.. В. М. Баку ля)

д.т.н., проф. О. М. Дубовий

(Національний університет кораблебудування ім. адм. Макарова)

д.т.н. В. А. Маслюк

(Інститут проблем матеріалознавства НАНУ ім.. В. І. Трефілова

Степанчук А.М. Теоретичні та технологічні основи отримання порошків металів, сплавів і тугоплавких сполук: Підручник. – К.: ІВЦ “Видавництво «Політехніка»”, 2006. – 410 с.

Для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються з напрямом «Інженерне матеріалознавство». Може бути корисна для аспірантів, наукових та інженерно-технічних працівників.

УДК:621.762(07.5.8)

А.М.Степанчук, 2006

Вступ

Отримання порошків металів, сплавів і тугоплавких сполук безпосередньо стосується порошкової металургії – відносно нової галузі науки і техніки, яка дозволяє вирішувати завдання щодо створення нових матеріалів з унікальними властивостями.

Під порошковою металургією розуміють галузі науки і техніки, які об’єднують сукупність методів отримання порошків металів і сплавів, неорганічних сполук і виготовлення виробів з них та їх сумішей, виключаючи плавлення матеріалу основи. При цьому порошкові матеріали та вироби з них тепер застосовують майже у всіх відомих галузях науки і техніки – від біомедицини і мікроелектроніки до аерокосмічної техніки. Це широка гама конструкційних і триботехнічних матеріалів, інструментальних матеріалів (лезоподібний інструмент для обробки матеріалів різанням і шліфуванням, штамповий інструмент), матеріалів електротехнічного призначення і матеріалів, призначених для емісійної та просвітлювальної електроніки, медицини (для протезування кісткових тканин, кераміки для стоматології, інструментарію), матеріалів для аерокосмічної техніки (тяжкі сплави для навігаційної техніки, теплового захисту та захисту від намерзання), матеріалів спеціального призначення для ядерних технологій і військової техніки тощо.

Виготовлення порошкових матеріалів та виробів грунтується на трьох основних операціях. Це отримання порошків вихідних матеріалів, формування з них заготівок заданої форми і міцності, достатньої для подальшого маніпулювання з ними і, нарешті, спікання (термічна обробка), призначено для кінцевого формування заданих властивостей виробу. Велика кількість матеріалів та виробів різного призначення, які виготовляють методами порошкової металургії, потребує такої ж кількості порошків вихідних матеріалів з різними властивостями. Властивості порошків значною мірою впливають на технологічні параметри виготовлення виробів з них а також на їх кінцеві властивості. У свою чергу, властивості порошків залежать від методу і технологічних параметрів їх отримання. Тому вибір методу отримання порошків для виготовлення порошкових виробів із заданими властивостями, уміння регулювати властивості порошків у процесі їх виготовленняє актуальним завданням для фахівців.

У зв’язку з цим також актуальним є випуск навчальної і технічної літератури для студентів, фахівців та наукових працівників. Натепер у ближньому та дальньому зарубіжжі досить добре поставлена інформаційна діяльність в галузі порошкової металургії. Випускаються періодичні видання. В Україні журнал “Порошковая металургия”, в Росії журнал “Перспективные материалы”, у Беларусі щорічний періодичний збірник наукових статей “Порошковая металургия”. Окрім того, видається чимало збірників наукових праць у галузі порошкової металургії та споріднених науково-технічних напрямів. Проте підручників для студентів, які навчаються за напрямом «Інженерне матеріалознавство» за спеціальністю “Композиційні та порошкові матеріали, покриття” та за багатьма спорідненими спеціальностями дуже мало. Ті нечисленні видання, які є на теперішній час в основному видані в державах дальнього та ближнього зарубіжжя; а українською мовою їх немає взагалі.

У пропонованому підручнику «Теоретичні та технологічні основи отримання порошків металів, сплавів і тугоплавких сполук» розглянуто основи теорії та практики отримання порошків металів, сплавів і тугоплавких сполук, які широко використовують для отримання різних матеріалів та виробів сучасної науки і техніки. Особливу увагу приділено умовам отримання порошків методами класичної порошкової металургії,розміри частинок яких більші за 0,1 мкм; вони поширені у практиці виготовлення виробів методами порошкової металургії. Бурхливий розвиток нанотехнологій і пов’язане з ним використання порошків в нанодисперсному стані також потребує підготовки навчальної літератури з цього напряму. Але, на думку автора, це має бути предметом спеціальних навчальних видань.

Це видання є продовженням виданого у 1989 році автором навчального посібника [9], який перероблено і значно доповнено відповідно до двоступеневої (бакалавр-магістр) підготовки фахівців з напряму «Інженерне матеріалознавство».

1. Властивості порошків

Властивості порошків металів, сплавів і сполук багато в чому визначають їх технологічну переробку – змішування, пресування, температурні режими спікання, а в цілому – і властивості отримуваних виробів. Визначення властивостей порошків – це важливе завдання для відпрацювання оптимальних технологічних процесів отримання порошкових виробів.

Властивості порошків розподіляють на три основні групи: хімічні, фізичні, технологічні. Крім того, порошки характеризують за їх спеціальними властивостями: вибуховістю, корозійною стійкістю, кольором, абразивною здатністю, міцністю на роздавлювання та ін.

Їх хімічні властивості – це передусім хімічний склад та вміст домішок.

Фізичні властивості характеризуються формою частинок, їх середнім розміром і гранулометричним складом, питомою поверхнею, пікнометричною щільністю, мікротвердістю. Технологічні властивості характеризуються насипною щільністю, текучістю, кутом природного нахилу, густиною і об’ємом утруски, ущільненням, пресованістю та формованістю.

Характеристикою хімічного складу порошків є вміст основного компонента в однокомпонентних порошках та вміст основного компонента і легувальних елементів у порошку сплавів. Залежно від умісту основного компонента розрізняють особливо чисті, чисті і технічно чисті порошки, вміст основного компонента у яких відповідно 99,99; 99,5 і 98,0…99,0 %.

Хімічний склад порошків перш за все залежить від методів їх отримання. Найчистіші порошки з високим умістом основного компонента можна отримати методами, в процесі яких відбувається рафінування вихідної сировини, чи під час використання його в чистому вигляді. Це карбонільний метод, електроліз водних розчинів солей металів, відновлення чистих оксидів воднем. Більшість методів дозволяє отримати чисті або технічно чисті порошки, тобто такі, що містять домішки. Вид і кількість домішок визначають методом отримання, а також за чистотою використовуваної сировини. Домішки, які вносяться в порошок під час його отримання, передусім обумовлені видом відновника. Так, для відновлення оксидів вуглецем чи газами, що містять вуглець, основною домішкою є вуглець. У порошку він може мати вільний чи зв’язаний вигляд. Однак найчастіше основна домішка – кисень, вміст якого в порошку може сягати 1,5 %. Об’єктивно домішки кисню обумовлені наявністю в порошку оксидів чи твердих розчинів, які в певних умовах не відновлюються. Воднем не відновлюються оксиди TiO₂, Al₂O₃, MnO, Cr₂O₃, SiO₂ і т.ін. Суб’єктивно домішки кисню обумовлені застосуванням технологічних режимів і умов, що не забезпечують повного відновлення в умовах скорочення часу відновлення, недостатнього газопроникнення шихти, взаємодії отриманого продукту з киснем повітря в процесі його подальшої переробки та ін. Крім того, підвищення вмісту кисню може зумовлюватись зберіганням порошків у відкритій тарі. Чим вища питома поверхня порошків, їх активність, час контакту з навколишнім середовищем, тим більший вміст кисню.

Наявність кисню у вигляді ізольованих частинок оксидів чи прошарків на поверхні частинок основного компонента утруднює процес пресування, підвищує зношення прес-форм через високу твердість оксидів. Вплив домішок оксидів на процес спікання не однозначний. Наявність важковідновлюваних оксидів ускладнює процес спікання, в той час, як наявність оксидів, що легко відновлюються, інколи сприяє йому. Вміст основного металу і домішок в порошку визначають традиційними методами хімічного аналізу чи іншими прецизійними методами. Вміст кисню у вигляді оксидів легковідновлюваних металів основи можна визначати в лабораторних чи виробничих умовах відновлюванням наважки порошку гостроосушуваним воднем. Під час відновлення маса наважки зменшується, а пари водню поглинаються фосфорним ангідридом P₂O₅, силікагелем та іншим активним поглиначем. Вміст кисню у порошку визначають за втратою маси проби, якщо масова частка вуглецю в порошку не перевищує 0,05%. Якщо вміст вуглецю більший від цього значення, необхідно враховувати його участь у відновленні оксидів.

Дата добавления: 2014-11-20