Способы производства металлических порошков

ОСНОВЫ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

Для удовлетворения требований развивающейся техники необходимы материалы, обладающие очень высокой твердостью, износостойкостью, жаропрочностью, жаростойкостью и другими исключительными свойствами. Создать такие материалы можно только на основе сплавов, так как у отдельных материалов сочетание таких свойств, как правило не встречается. Например, химическое соединение вольфрама с углеродом - карбид вольфрама имеет высокую твердость, износостойкость и жаропрочность, но повышенную хрупкость. Хорошей вязкостью обладает кобальт. Температура плавления карбида вольфрама 2878⁰ С, а кобальта 1400 ⁰ С. Обычными методами создать сплав WC-Co нельзя. Такие сплавы получают методом порошковой металлургии. Образующиеся сплавы называют металлокерамическими. Так были получены твердые металлокерамические материалы для обработки металлов резанием, для бурения горных пород, которые произвели существенные изменения в этих областях.

Порошковая металлургия позволяет создавать сплавы любого состава из металлических или смеси металлических и неметаллических порошков, которые практически взаимно не растворяются при плавлении или могут разлагаться при высоких температурах. Например, железо и свинец, алюминий и никель, медь и графит, металлы и оксиды, металлы и бориды и др. Методом порошковой металлургии можно получать сплавы с заранее заданными свойствами. Использование этого метода обеспечивает значительное снижение потерь металла.

Производство изделий из вольфрама и тантала, которые обладают высокой температурой плавления, осуществляется преимущественно методами порошковой металлургии. Порошковая металлургия позволяет изготовить некоторые конструкционные детали (кулачки, втулки и др.) без последующей механической обработки.

Изделия из металлокерамических сплавов нашли применение для металлорежущего инструмента, для волок и фильер при производстве проволоки, для подшипников скольжения и тормозных устройств, для металлических фильтров, для постоянных магнитов, электрощеток, электроконтактов, нагревателей электропечей и др.

К недостаткам порошковой металлургии следует отнести высокую стоимость металлических порошков, значительные расходы на изготовление пресс-форм и другой оснастки, низкие показатели вязкости и пластичности.

Существуют следующие основные способы получения металлических порошков: восстановление металлов из их оксидов или солей; электролитическое осаждение; распыление струи расплавленного металла; термическая диссоциация; механическое дробление.

Способ восстановления металлов наиболее распространен. Процесс восстановления может быть представлен следующим уравнением:

MeO_n + mX = Me + X_mO_n,

где MeO - оксид металла; Х -восстановитель; n и m - стехиометрические коэффициенты.

Оксиды и соли металлов получаются при переработке рудных ископаемых. Восстановителями служат газы (водород, природный газ и др.). Для получения чистых металлических порошков используют водород. При восстановления металлов газом или твердым веществом, содержащим углерод, одновременно с восстановлением происходит науглероживание, и порошок получается загрязненный карбидами. Для получения железного порошка технической чистоты с содержанием железа до 98.5% используют следующий метод. В тигли последовательно слоями загружают измельченную железную руду и термоштыб (отходы при добыче каменного угля). Закрытые тигли поступают в туннельную печь, где поддерживается температура 1150 - 1200⁰ С. При прохождении через печь происходит восстановление железа, которое затем очищается от остатков восстановителя, пустой породы и подвергается механическому дроблению.

Способом восстановления получают порошки из любых металлов, в том числе и тугоплавких (железо, вольфрам, тантал, титан и др.).

Способом электролитического осаждения можно получить порошки почти всех металлов. При электролизе из раствора на катоде получается осадок в виде плотного или рыхлого слоя, чешуек, кристаллов. Качество осадка зависит от плотности тока, температуры и концентрации электролита. Осадок счищается с катода и измельчается в порошок механическим путем. Рыхлые осадки в процессе электролиза осыпаются с катода на дно ванны и последующего дробления не требуют. Получающиеся порошки характеризуются высокой чистотой и сравнительно большой стоимостью В процессе электролиза порошок адсорбирует водород, в результате чего повышается хрупкость металла, для устранения которой производят отжиг порошка в нейтральной среде или в вакууме.

Способ получения порошков путем распыления струи расплавленного металла (рис.29) используют главным образом для легкоплавких металлов (олово, свинец, цинк, алюминий, медь), а также для получения порошков железа, никеля и других металлов с температурой плавления около 1500 ⁰С. Этот способ достаточно производителен. Недостаток способа — возможность окисления частиц порошка. Во избежание этого рекомендуется восстановительная или инертная среда.

Рис.29. Схема получения порошка распылением струи расплавленного

металла: 1-жидкий металл, 2-трубопровод для сжатого воздуха, 3-охлаждающая вода, 4-порошок

При термической диссоциации используют летучие химические соединения — карбонилы, иодиды, галоиды и др. Для получения порошков железа применяют карбонилы, которые образуются при воздействии на железо оксида углерода при давлении 18—20 мПа и температуре около 200 ⁰С:

Fe + 5CO = Fe(CO)₅.

Kарбонил выводят из реакции и нагревают до температуры 350 - 500 ⁰С при атмосферном давлении; в этих условиях соединение разлагается

с образованием мелко дисперсного железного порошка. Затем порошок подвергают отжигу для удаления примесей. Этим способом получают порошки большой чистоты. Такие порошки имеют высокую стоимость в результате больших материальных и энергетических затрат.

При механическом дроблении металлов в порошки используют шаровые, вибрационные и вихревые мельницы. Шаровая мельница представляет собой барабан, внутри которого помещены шары из закаленной стали или твердых сплавов. Металл в виде мелких кусков, стружки засыпают в барабан, который приводится во вращение (30—120 об/мин), при этом происходит дробление материала да счет соударения шаров и ударов последних о барабан.

В вибрационной мельнице барабану и шарам сообщаются колебания с амплитудой 2-3 мм при частоте, равной частоте вращения барабана (1500—-3000 об/мин). Колебания осуществляются с помощью вибратора в виде эксцентрикового вала, соединенного с электродвигателем через упругую муфту.

Вихревая мельница состоит из закрытого корпуса, внутри которого с большой скоростью вращаются в противоположных направлениях два пропеллера. Кусочки проволоки, подаваемые в рабочую камеру, увлекаются вихревыми потоками, которые создаются пропеллерами, и при ударе друг о друга измельчаются. Так как частички нагреваются, в рабочей камере во избежания окисления должна быть инертная или восстановительная атмосфера. Вихревые мельницы можно использовать для измельчения любых металлов и сплавов.

Ввиду невысокой производительности способа механического дробления получаемые порошки имеют высокую стоимость по сравнению с порошками, изготовленными другими способами. Наиболее дешевые порошки, изготовленные методом распыления расплавленного металла.

Дата добавления: 2014-12-16