Opori-osveshenia.ru

Опоры освещения
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

17. 1. Получение металлических порошков

17.1. Получение металлических порошков

Порошки получают в основном механическими и физико-химическими методами. Наиболее широкое применение в производстве металлических порошков получили механические методы. При этом механическое измельчение путем дробления или размола целесообразно применять при производстве порошков хрупких металлов и сплавов – бериллия, хрома, марганца, сурьмы и других элементов. Для этих целей используют дробилки и мельницы различных конструкций.

Одним из наиболее эффективных методов получения металлических порошков является распыление струи расплавленного металла. Полученные из таких порошков детали отличаются повышенной прочностью и пластичностью, что обусловлено высокой скоростью остывания частиц порошка в процессе распыления жидкого металла. Этот метод отличается высокой производительностью и позволяет вводить в состав сплава различные легирующие добавки.

Распылением можно получить порошок практически любого химического состава при высокой степени однородности. Например, легированием порошка железа молибденом, хромом, никелем, вольфрамом можно повысить его механическую прочность, коррозионную стойкость, жаропрочность. Из такого порошка изготавливают ответственные детали гидроаппаратуры, ядерной техники, авиационных и ракетных двигателей.

Чаще всего распыление расплава производится сжатым воздухом в воду (рис.77). При этом в качестве исходного металла можно использовать и металлическую стружку без ее переплава. Это может быть одним из важнейших путей экономии металла, поскольку переплав стружки приводит к выгоранию ценных легирующих элементов и образованию угара.

В практике существует и другой метод распыления расплавленного металла. Сущность этого метода состоит в распылении жидкого металла посредством быстро вращающегося диска (рис.78). Под действием центробежной силы частицы металла разлетаются и попадают в кольцевую камеру, охлаждаемую жидким гелием, после чего сортируются по размерам. Преимущество этого метода заключается в том, что он дает возможность быстро корректировать химический состав порошка в зависимости от нужд производства и не требует сложного оборудования.

Одним из наиболее распространенных способов получения металлических порошков является восстановление металлов из их оксидов и других соединений. Методом восстановления получают, например, порошок железа, вольфрама, молибдена, кобальта, титана и других металлов. Восстановителями при этом могут служить газы (водород, природный газ и др.) и твердые вещества (сажа, кокс, щелочные металла и др.). В настоящее время разрабатываются технологии получения порошков железа непосредственно из руд путем их прямого восстановления. Полученный при этом порошок может быть переработан непосредственно в листы или металлическую ленту.

Высококачественные мелкодисперсные порошки различных металлов можно получать карбонильным методом.

Сущность этого метода состоит в том, что некоторые металлы при определенных условиях образуют с оксидом углерода СО химические соединения, называемые карбонилами, например Fe(CO)5, Ni(CO)4 и др. Эти соединения неустойчивы при обычных температурах и легко разлагаются (диссоциируют) при повышенных температурах с образованием тонких порошков металла и оксида углерода.

Этим методом получают, например, порошки железа, никеля, кобальта и других металлов. В частности, карбонилы железа получают при воздействии на железо оксида углерода СО при давлении 18…20 МПа и температуре около 200?С:

Полученное в результате реакции соединение Fe(CO)5 выделяют и разлагают на тонкий порошок. Реакция разложения протекает при температуре 200…300?С и атмосферном давлении. Порошок затем подвергается отжигу для удаления примесей. Почти полное отсутствие примесей позволяет получить этим методом порошок с содержанием железа до 99,9%. Однако металлические порошки, полученные по этой технологии, имеют достаточно высокую стоимость ввиду больших энергетических затрат.

Читайте так же:
Что такое храповик на автомобиле

Форма и размеры порошка существенно влияют на свойства изделий и на технологические режимы их получения.

В порошковой металлургии используют порошки с размером частиц в пределах 0,1мкм…0,5 мм. Гранулометрический с

остав определяют с помощью набора сит, имеющих различное количество отверстий на единице площади. Частицы могут иметь также различную форму: осколочную, плоскую, сферическую и др. Форма частиц зависит от способа изготовления порошка. При механическом дроблении получают частицы осколочной формы, а при распылении и термической диссоциации – сферической.

Технологический процесс изготовления изделий из металлических порошков состоит из приготовления исходной смеси-шихты, формирования заготовок и их последующего спекания.

Приготовление шихты предполагает очистку порошков, их отжиг с целью уменьшения окисленности и классификацию на фракции по размерам частиц.

Смешивание шихты производят в мельницах различного типа, смесителях, во вращающихся барабанах и в других устройствах. Шихту составляют из дозированных порций компонентов определенного гранулометрического и химического состава. В случае необходимости в исходную смесь добавляют различные технологические присадки, облегчающие процесс прессования. В качестве таких присадок используют, например, парафин, стеарин, каучук и др. При смешивании порошков, резко отличающихся по своим свойствам (например, железа и графита), в целях получения наиболее однородной смеси применяют добавки спирта или глицерина.

В результате операции подготовки исходные компоненты должны быть равномерно распределены по всему объему смеси.

Методы получения металлических порошков для технологий восстановления и упрочнения деталей сельскохозяйственной техники

Описаны различные способы получения металлических порошков, рассмотрены наиболее перспективные и технологичные для процессов восстановления и упрочнения деталей. Приведен краткий анализ целесообразности переработки отходов машиностроения в порошковый материал как важного фактора ресурсосбережения.

Methods of producing metal powders for technologies of restoration and strengthening of parts for agricultural equipment

Various methods of obtaining metal powders are described, the most promising and technologically advanced for the processes of restoration and hardening of parts are considered. A brief analysis of the feasibility of processing machine-building waste into powder material as an important resource-saving factor is given.

Большинство деталей машин выходят из строя из-за износа сопрягаемых поверхностей. Поэтому при разработке ремонтных технологий стремятся к повышению износостойкости восстанавливаемых поверхностей по сравнению с новой деталью.

За последние 20 лет в технологиях ремонтного производства используются металлические порошки различных композиций. Они успешно применяются при плазменной, газопорошковой, электродуговой наплавке, наплавке ленточными порошковыми электродами и т. д. Наряду с наплавочными технологиями, существуют процессы восстановления изношенных деталей при спекании или напекании порошков (электроконтактные процессы), а также термодиффузионные и другие процессы.

Часто свойства порошка одного и того же металла существенно изменяются в зависимости от метода производства. Порошки, идентичные по химическому составу, могут иметь разные физические характеристики и резко различаться по технологическим свойствам, что приводит к значительным изменениям условий дальнейшего превращения порошка в готовые изделия и влияет на их свойства. Разнообразие требований, предъявляемых к порошкам в зависимости от области их применения, а также свойства (природа) самих металлов объясняют существование большого числа различных методов производства металлических порошков.

Читайте так же:
Ацетиленовая горелка принцип работы

Производство порошка — первая технологическая операция метода порошковой металлургии. Существует два принципиально разных способа получения порошков металлов: механический и физико-химический.

Механические методы. При производстве порошков хрупких металлов и сплавов наиболее целесообразно применять методы механического измельчения. Частицы порошка, получаемые в результате такого рода воздействий, имеют преимущественно осколочную, неправильную форму. Для измельчения материалов используют шаровые, планетарные, вихревые и вибромельницы, аттриторы (рис. 1). Оборудование и технологии, применяемые для реализации методов механического измельчения, довольно просты, дешевы и эффективны для обработки отходов производства. Однако этими способами получают ограниченную номенклатуру порошков, т. к. существует опасность их загрязнения измельчающей средой (материалом помольных тел и футеровки мельницы) и возможность образования большого наклепа порошка.

Общая характеристика методов получения порошков

Технологический процесс изготовления металлокерамических изделий начинается с получения исходного сырья — порошков чистых металлов или различных соединений. Известно большое количество методов получения порошков. Разнообразие применяемых методов объясняется не только технической возможностью получения порошков несколькими способами (например, восстановлением, размолом, электролизом и др.), но и тем, что качественные характеристики порошков и изделий в значительной степени определяются методом изготовления порошков. От способа получения зависят величина и форма частиц, насыпной вес, химический состав, прессуемость, спекаемость порошков и т. п.

При выборе метода изготовления исходных порошков для металлокерамических изделий решающую роль играют два основных фактора: минимальная стоимость и свойства порошка. От свойств порошка зависит возможность получения изделий с заданными физико-механическими и другими специальными свойствами.

Методы получения металлических порошков можно условно разделить на две основные группы: механические и физико-химические. При применении механических методов исходный материал измельчается в порошок без изменения химического состава. К этим методам относится получение порошковых частиц обработкой металлов резанием, размол металлов в шаровых и молотковых мельницах, измельчение в вихревых мельницах. К этой же группе относится размельчение струи расплавленного металла путем грануляции и распыления сжатым газом (или водой), либо ударами лопаток вращающегося диска.

Такие механические методы, как распыление и вихревой размол, широко используются для получения порошков различных металлов и сплавов вследствие высокой производительности. Однако общим их недостатком является относительно высокая стоимость порошков, поскольку в последнюю входит стоимость изготовления исходных литых металлов и сплавов.

К физико-химическим процессам относятся такие технологические процессы, в которых получение порошка связано с изменением химического состава исходного сырья или его агрегатного состояния в результате химического или физического (но не механического) воздействия на исходный продукт. К этим методам, основанным в большинстве случаев на химических реакциях восстановления, диссоциации и т. п., относятся такие способы получения порошков, как восстановление окислов металлов газами или твердыми восстановителями, электролиз водных растворов или расплавленных сред, термическая диссоциация карбонилов, а также конденсация металлических паров, межкристаллитная коррозия, электроэрозионный метод.

Читайте так же:
Масса стального листа 10мм

В табл. 1 сведены основные методы получения порошков.

Общая характеристика методов получения порошков

Физико-химические методы получения порошков в целом более универсальны, чем механические. Возможность использования дешевого сырья (окислов, солей, различных отходов производства) делает многие физико-химические методы экономичными. Порошки ряда тугоплавких металлов, а также порошки сплавов и соединений на их основе могут быть получены только физико-химическими методами.

Однако в практике порошковой металлургии четкой границы между двумя указанными группами методов нет. Технологические процессы получения порошков часто включают элементы группы как механических, так и физико-химических методов (например, применение механического размола спекшейся губки, получающейся при восстановлении окислов, или применение отжига к вихревым и распыленным порошкам с целью снятия остаточных напряжений, обезуглероживания и восстановления окислов).

Из всех перечисленных способов изготовления порошков наибольшее промышленное распространение получили следующие: восстановление окислов, электролиз, термическая диссоциация, размол в шаровых и вихревых мельницах, распыление.

Механические методы получения порошков

Металлический порошок – совокупность частиц металла, сплава или металлоподобного соединения размерами до одного миллиметра, находящихся во взаимном контакте и не связанных между собой.

Металлические порошки – основа порошковой металлургии, технология которой начинается с их получения. Метод производства и природа соответствующего металла, сплава или металлоподобного соединения определяют химические (содержание основного металла, примесей и загрязнений, пирофорность и токсичность), физические (форма, размер, удельная поверхность, истинная плотность и микротвердость частиц) и технологические (насыпная плотность, текучесть, уплотняемость, прессуемость и формуемость порошка) свойства получаемого металлического порошка.

Часто свойства порошка одного и того же металла существенно изменяются в зависимости от метода производства. Порошки, идентичные по химическому составу, могут иметь разные физические характеристики и резко различаться по технологическим свойствам, что приводит к значительным изменениям условий дальнейшего превращения порошка в готовые изделия и влияет на их свойства. Разнообразие требований, предъявляемых к порошкам в зависимости от области их применения, а также свойства (природа) самих металлов объясняют существование большого числа различных методов производства металлических порошков.

Общепринятым является условное деление этих методов на физикохимические и механические (табл. 1.1).

К физико-химическим методам относят технологические процессы производства порошков, связанные с глубокими физико-химическими превращениями исходного сырья. В результате получаемый порошок по химическому составу и структуре существенно отличается от исходного материала.

Механические методы обеспечивают превращение исходного материала в порошок без существенного изменения его химического состава. Чаще всего используют размол твердых материалов в мельницах различных конструкций и диспергирование расплавов. К механическим методам получения порошков относится и грануляция расплава (образование порошка происходит при сливании расплавленного металла в жидкость). Однако получаемые частицы имеют размеры больше одного миллиметра (до 2–5 мм). С помощью этого метода получают гранулы таких металлов, как олово, свинец, цинк, висмут и пр.

Совокупность методов их получения и превращения в изделия относится к другой области металлургического производства – гранульной металлургии. Выбор метода получения металлического порошка проводят на основе анализа требований, предъявляемых к конечной продукции.

Читайте так же:
Для чего нужна бактерицидная лампа

В зависимости от размеров частиц порошки весьма условно подразделяют на следующие группы: нано- (размер частиц < 0,01 мкм), ультра(0,01–0,1 мкм), высокодисперсные (0,1–10 мкм), мелкие (10–40 мкм), средние (40–250 мкм) и крупные (250–1 000 мкм).

Метод механического измельчения твердых компактных материалов широко применяется в порошковой металлургии. Этим способом можно превратить в порошок практически любой из металлов, их окислов и тугоплавких неметаллических соединений (боридов, нитридов, карбидов и пр.).

Под измельчением понимают уменьшение начального размера частиц материала путем разрушения их действием внешних усилий. Измельчение дроблением, размолом или истиранием является старейшим методом перевода твердых веществ в порошкообразное состояние.

Наиболее целесообразно применять механическое измельчение при производстве порошков хрупких металлов, сплавов и неметаллических соединений (кремний, бериллий, хром, марганец, ферросплавы, оксиды, бориды, карбиды и др.). Размол таких металлов, как медь, алюминий, серебро, золото, затруднен, что объясняется их высокой пластичностью.

В процессе измельчения на материал действуют различные разрушающие усилия – раздавливающие (расплющивающие), ударные, истирающие. При механическом измельчении твердых материалов затрачиваемая энергия расходуется на деформацию (упругую и пластическую) и на увеличение поверхности измельчаемого материала, которое свидетельствует об уменьшении размеров частиц, что и является основной целью процесса.

Процесс деформации твердых тел заключается в том, что под действием внешней статической нагрузки в твердом теле начинается движение дислокаций. Движущиеся дислокации образуют дислокационные «стенки», столкновение которых приводит к появлению зародышей трещин. Образованию трещин способствуют и многочисленные дефекты на поверхности частиц твердого тела («нарушенный слой»), а также на его межзерновых границах. Действие динамических ударных нагрузок приводит к быстрому увеличению этих микротрещин. Однако при «снятии» внешней нагрузки трещины под действием сил межатомарного взаимодействия могут смыкаться («самозаживляться», релаксировать).

Разрушение твердого тела (его отдельной частицы) происходит только в том случае, когда внешние воздействия настолько велики, что трещины непрерывно «развиваются», распространяясь по всему сечению тела в одном или нескольких направлениях. В момент разрушения напряжения в деформирующемся теле превышают некоторое предельное значение («предел прочности материала»), упругая деформация сменяется деформацией разрушения и происходит уменьшение размеров (измельчение) исходных агрегатов.

При крупном дроблении вновь образующаяся поверхность невелика, так как получаемые частицы имеют сравнительно большие размеры. В связи с этим энергия, затрачиваемая на образование новой поверхности, намного меньше энергии деформации, а расход энергии на дробление приблизительно пропорционален объему разрушаемого тела.

При тонком измельчении вновь образующаяся поверхность очень велика. Поэтому расход энергии на измельчение приблизительно пропорционален вновь образующейся поверхности. Однако сама работа диспергирования всегда незначительна, так как почти вся энергия измельчающего устройства затрачивается на деформацию разрушаемого тела и на образование теплоты.

Поведение материала при измельчении является следствием двух соперничающих процессов – разрушения (дезинтеграции) и агрегатирования (интеграции) частиц. Проявление второго процесса связано с явлениями адгезии, физико-химических и физико-механических реакций, протекающих в процессе измельчения. Действие этих сил (помимо «заживления» трещин) приводит к агрегатированию и комкованию порошка. Поэтому в подавляющем большинстве случаев предельный размер частиц, которые удается получить при механическом измельчении материала, не превышает 0,1 мкм.

Читайте так же:
Количество зубьев на пильном диске по дереву

Среди методов измельчения твердых материалов наибольшее распространение получили обработка металлов резанием, измельчение металла в шаровых, вихревых, молотковых и других мельницах, ультразвуковое диспергирование.

Предварительное измельчение крупных сырьевых материалов в щековых, валковых, конусных дробилках и молотковых мельницах.

Щековые, валковые и конусные дробилки применяются для предварительного измельчения крупных (до нескольких сантиметров) кусковых материалов с пределом прочности до 300–400 МПа. В дальнейшем предварительно измельченные в этих агрегатах материалы поступают на доизмельчение другими методами.

Щековые дробилки применяют для измельчения спекшейся губки, осадков с электродов, крупных кусков рудных концентратов и т.п. Размол материала в щековых дробилках до размера частиц 1–4 мм происходит за счет раздавливания кусков между неподвижной и подвижной щеками установки. Рабочее пространство между щеками называют «пастью» дробилки.

Измельчение материала до крупности частиц 0,5–1 мм обеспечивают валковые дробилки, один или оба валка которых могут совершать возвратнопоступательное движение по направляющим вдоль оси опорной рамы. Валки вращаются навстречу друг другу от отдельных приводов с окружной скоростью

2–4 м/с, причем разность их скоростей обычно не превышает 2 %; при дроблении вязких материалов разность этих скоростей может доходить до 20 %. Эффективность работы валковых дробилок в большой степени зависит от условий подачи материала, особенно от непрерывности его поступления в щель между валками и равномерности распределения по их длине. Валки могут быть гладкими, рифлеными или зубчатыми.

В конусных дробилках измельчение материала осуществляется в кольцевой полости между рабочей частью поверхности конуса и соответствующей частью внутренней поверхности корпуса дробилки (в камере дробления). Конусные дробилки обеспечивают измельчение материала до крупности частиц 1–2 мм.

Молотковые дробилки в основном используются для измельчения губчатых материалов (спекшихся при восстановлении порошков, катодных осадков и пр.). Измельчение обрабатываемого материала в них осуществляется за счет удара молотков (бил), укрепленных шарнирно на валу, вращающемся в рабочей камере с достаточно высокой скоростью (около 1 500 об/мин).

Исходный кусковой материал загружают в приемный бункер установки (рис. 1), откуда он поступает в рабочую камеру мельницы, в нижней части которой имеется отверстие, закрытое сеткой; после размола частицы проваливаются через ситовое полотно в сборник порошка.

Рис. 1. Молотковая мельница: 1 – электродвигатель; 2 – муфта; 3 – губка; 4 – загрузочный бункер; 5 – загрузочный люк с защелкой; 6 – корпус мельницы; 7 – била; 8 – металлическая решетка с ситовым полотном; 9 – порошок

Размол губки в молотковой мельнице происходит в течение нескольких минут, и получаемый порошок мало наклепывается, что исключает необходимость его последующего отжига.

Более тонкое измельчение обеспечивают бесколосниковые молотковые мельницы, рабочим органом которых является ротор с шарнирно закрепленными на нем тонкими пластинчатыми молотками.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector