Порошковая металлургия

древесный уголь, металлы (кальций, магний , алюминий, натрий, кадмий и

др.). 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.

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 железа разнообразны.

Классификационная схема методов восстановления железа представлена на

рис.4.

[pic][pic]

Восстановление окислов железа

|Твердым углеродом |Газом |Комбинированным |

| | |способом |

|Сыпучая шихта |Брикетированная шихта |

|Взвешенное состояние |Кипящий слой |Стационарный слой |

|При умеренном давлении |При повышенном давлении |При нормальном давлении |

|восстановительного газа, |восстановительного газа, |восстановительного газа |

|р=4 - 6 ат |р=20-40 ат | |

|При повышенных |При умеренных температурах|При высоких температурах C|

|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

муфельных или в трубчатых печах водородом, диссоциированным аммиаком или

конвертированным природным газом. Температура восстановления 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

порошок

Порошок вольфрама получают из вольфрамового ангидрида, являющегося

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 сплавов

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, разлагается, металл осаждается на

катоде, где его ионы разряжаются Ме+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.

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 путем 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.

Свойство металлических порошков характеризуются 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%. 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. 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, выделяющийся 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 значительного 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 карбонильном 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 м кв/г (у отдельных

порошков - 4 м кв/г у вольфрама, 20 м кв/г у карбонильного никеля).

Удельная поверхность порошка 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 объема 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

порошков из-за наличия остаточных окислов, микропор, полостей.

Микротвердость порошковой частицы характеризует ее способность к

деформированию. Способность к деформированию в значительной степени зависит

от содержания примесей в порошковой частице и дефектов кристаллической

решетки. Для измерения микротвердости в шлифованную поверхность частицы

вдавливают алмазную пирамиду с углом при вершине 136 под действием

нагрузки порядка 0,5... 200г. Измерение выполняют на приборах для измерения

микротвердости ПМТ-2 и ПМТ-З.

Технологические свойства порошка определяют: насыпная плотность,

текучесть, прессуемость и формуемость.

Насыпная плотность - это масса единицы объема порошка при свободном

заполнении объема.

Текучесть порошка характеризует скорость заполнения единицы объема и

определяется массой порошка высыпавшегося через отверстие заданного

диаметра в единицу времени. От текучести порошка зависит скорость

заполнения инструмента и производительность при прессовании. Текучесть

порошка обычно уменьшается с увеличением удельной поверхности и

шероховатости частичек порошка и усложнением их формы. Последнее

обстоятельство затрудняет относительное перемещение частиц .

Влажность также значительно уменьшает текучесть порошка.

Прессуемость и формуемость. Под прессуемостью порошка понимают

свойство порошка приобретать при прессовании определенную плотность

в зависимости от давления, а под формуемостью - свойство порошка

сохранять заданную форму, полученную после уплотнения при минимальном

давлении. Прессуемость в основном зависит от пластичности частиц порошка,

а формуемость - от формы и состояния поверхности частиц. Чем выше насыпная

массе порошка, тем хуже, в большинстве случаев, формуемость и лучше

прессуемость. Количественно прессуемость определяется плотностью

спрессованного брикета, формуемость оценивают качественно, по внешнему

виду спрессованного брикета, или количественно - величиной давления, при

котором получают неосыпающийся, прочный брикет.

Формование металлических порошков.

Целью формования порошка является придание заготовкам из порошка

формы, размеров, плотности и механической прочности, необходимых для

последующего изготовления изделий. Формование включает следующие операции:

отжиг, классификацию, приготовление смеси, дозирование и формование.

Отжиг порошков применяют с целью повышения их пластичности и

прессуемости за счет восстановления остаточных окислов и снятия наклепа.

Нагрев осуществляют в защитной среде (восстановительной, инертной или

вакууме) при температуре 0,4...0,6 абсолютной температуры плавления металла

порошка. Наиболее часто отжигают порошки полученные механическим

измельчением, электролизом и разложением карбонилов.

Классификация порошков - это процесс разделения порошков по величине

частиц. Порошки с различной величиной частиц используют для составления

смеси, содержащей требуемый процент каждого размера. Классификация частиц

размером более 40 мкм производят в проволочных ситах. Если свободный просев

затруднен, то применяют протирочные сита. Более мелкие порошки классифи-

цируют на воздушных сепараторах.

Приготовление смесей. В производстве для изготовления изделий

используют смеси порошков разных металлов. Смешивание порошков есть одна из

важных операций и задачей ее является обеспечение однородности смеси, так

как от этого зависят конечные свойства изделий. Наиболее часто применяют

механическое смешивание компонентов в шаровых мельницах и смесителях.

Соотношение шихты и шаров по массе 1:1. Смешивание сопровождается

измельчением компонентов. Смешивание без измельчения проводят в барабанных,

шнековых, лопастных, центробежных, планетарных, конусных смесителях и

установках непрерывного действия.

Равномерное и быстрое распределение частиц порошков в объеме смеси

достигается при близкой по абсолютной величине плотности смешиваемых

компонентов. При большой разнице абсолютной величины плотностей

наступает расслоение компонентов. В этом случае полезно применять

раздельную загрузку компонентов по частям: сначала более легкие с каким-

либо более тяжелым, затем остальные компоненты. Смешивание всегда лучше

происходит в жидкой среде, что не всегда экономически целесообразно из-

за усложнения технологического процесса.

При приготовлении шихты некоторых металлических порошков высокой

прочности (вольфрама, карбидов металлов) для повышения формуемости в

смесь добавляют пластификаторы - вещества смачивающие поверхность частиц.

Пластификаторы должны удовлетворять требованиям: обладать высокой

смачивающей возможностью, выгорать при нагреве без остатка, легко

растворяться в органических растворителях. Раствор пластификатора обычно

заливают в перемешиваемый порошок, затем смесь сушат для удаления

растворителя. Высушенную смесь просеивают через сито.

Дозирование - это процесс отделения определенных объемов смеси

порошка. Различают объемное дозирование и дозирование по массе. Объемное

дозирование используют при автоматизированном формовании изделий.

Дозирование по массе наиболее точный способ, этот способ обеспечивает

одинаковую плотность формования заготовок.

Для формования изделий из порошков применяют следующие способы:

прессование в стальной прессформе, изостатическое прессование,

прокатку порошков, мундштучное прессование, шликерное формование,

динамическое прессование.

Прессование в стальной прессформе

При прессовании, происходящем в закрытом объеме (рис.6) возникает

сцепление частиц и получают заготовку требуемых формы и размеров. Такое

изменение объема происходит в результате смещения и деформации отдельных

частиц и связано с заполнением пустот между частицами порошка и

заклинивания - механического сцепления частиц. У пластичных материалов

деформация возникает вначале у приграничных контактных участков малой

площади под действием огромных напряжений, а затем распространяется

вглубь частиц.

[pic]

Рис.6 Схема прессования в прес- Рис. 7 Кривая

идеального процесса

сформе (1 – матрица, 2 – пуансон, уплотнения.

3 – нижний пуансон, 4 – порошек)

и схема распределения давления по высоте.

У хрупких материалов деформация проявляется в разрушении выступов

частиц. Кривая процесса уплотнения частиц порошка (рис.7) имеет три

характерных участка. Наиболее интенсивно плотность нарастает на участке A

при относительно свободном перемещении частиц, занимающих пустоты. После

этого заполнения пустот возникает горизонтальный участок B кривой,

связанный с возрастанием давления и практически неизменяющейся плотностью

т.е. неизменным объемом порошка. При достижении предела текучести при

сжатии порошкового тела начинается деформация частиц и третья стадия

процесса уплотнения (участок С! ‘ ). При перемещении частиц порошка в

прессформе возникает давление порожка на стенки. Это давление меньше

давления со стороны сжимающего порошок пуансона (рис.6) из-за трения между

частицами и боковой стенкой прессформы и между отдельными частицами.

Величина давления на боковые стенки зависит от трения между частицами,

частицами и стенкой прессформы и равна 25...40% вертикального давления

пуансона. Из-за трения на боковых стенках по высоте изделия вертикальная

величина давления получается неодинаковой: у пуансона наибольшей, а у

нижней части – наименьшей (рис.6). По этой причине невозможно получить по

высоте отпрессованной заготовки равномерную плотность. Неравномерность

плотности по высоте заметна в тех случаях, когда высота больше минимального

поперечного сечения. При прессовании засыпанных в цилиндрическую прессформу

одинаковых доз порошка, разделенных прокладками из тонкой фольги получают

отдельные слои различной формы и размера (рис.8). [pic]

Рис.8 Схема распределения плотности по вертикальному сечению

спрессованного порошка при одностороннем приложении давления (сверзу).

В вертикальном направлении каждый верхний слой оказывается тоньше

нижележащего. Изгиб слоев объясняется меньшей скоростью перемещения

порошка у стенки из-за трения, чем в центре. Наибольшая плотность

получается на расстоянии около 0.2...0.3 наименьшего поперечного размера

прессуемого изделия, что связано с действием сил трения между торцом

пуансона и порошком.

Для получения более качественных изделий после прессования

получения более равномерной плотности по различным сечениям применяют

Страницы: 1, 2, 3, 4

МЕНЮ

Порошковая металлургия

ИНТЕРЕСНОЕ