Порошковая металлургия

26.2. ПОРОШКОВАЯ  МЕТАЛЛУРГИЯ 
Контрольная работа № 1   

 1. 1. Обобщенная схема технологической цепочки порошковой металлургии.

 

 

    2. 2. Получение металлических порошков измельчением твердых материалов в аттриторах. Преимущества и недостатки этого метода по сравнению с размолом в шаровых вращающихся мельницах.

Наиболее     эффективно     механическая     обработка     методом     истирания-раздавливания  осуществляется    в    аттриторах,    являющихся    сочетанием    барабанной    и    роторной    мельниц.  Аттритором  называется  шаровая  мельница  с  неподвижным корпусом,  в  которой  подвод  энергии  от  внешнего  источника  в  зону  обработки  осуществляется  за  счет приведения  в  движение  массы  рабочих  тел  -  шаров  с  помощью  специального  устройства  -  мешалки (импеллера), находящейся внутри этой массы шаров.

Принципиальное  отличие  аттриторов  от  обычных  шаровых  мельниц  заключается  в  том,  что  в шаровых   мельницах   подвод   энергии   осуществляется   за   счет   вращения   корпуса.   Это   налагает ограничения на предельную энергонапряженность процесса ввиду того, что с ростом скорости вращения корпуса развиваются значительные центробежные силы, которые прижимают к корпусу массу шаров и массу обрабатываемого материала и обработка прекращается. Аттриторы лишены этого ограничения, и поэтому они позволяют существенно увеличить интенсивность обработки и сократить ее длительность. 

Принципиальным  преимуществом  механического  измельчения  с  точки  зрения  гомогенизации  порошковой смеси по сравнению с обычным механическим смешиванием является то, что разнородные частицы  не  просто  равномерно  распределяются,  а  претерпевают  структурные  и  фазовые  изменения.

Происходит  взаимное  проникновение  (натир,  намол)  частиц  одного  материала  в  другой.      Поэтому характеристический размер гомогенности смеси оказывается существенно (порой на один-два порядка величины)    меньше  средних  размеров  частиц  исходных  порошков,  что  недостижимо  при  простом механическом    смешивании.    Получаемые    из    таких    порошков    композиционные    материалы характеризуются высокой однородностью состава. 

Энергетический уровень  работы подобного устройства определяется его размерами и скоростью  вращения  мешалки.  Поскольку  первоначально  аттриторы  рассматривались  практически  только  как устройства для измельчения,  окатки и активации порошкообразных продуктов, то обработка в них,  как правило, проводилась в жидкой среде, благодаря чему интенсифицировался сам процесс обработки и значительно   упрощалась   проблема   перемещения   порошка   в   камере   аттритора.   Действительно,

постоянное присутствие  жидкой пленки между частицами предотвращает  их схватывание (агломерацию), поэтому  преимущественно имеют место  элементарные акты разрушения и деформации частиц, а не их

агломератов.

Существуют   конструкции   аттриторов,   в   которых   одновременно   с   вращением   мешалки реализуется  встречное  вращение  корпуса  аттритора  (расположение  горизонтальное).  Результатом являются  значительная  интенсификация    процессов  измельчения,    высокая  энергонапряженность,

распределенная практически  по всему объему.

В  качестве  примера  приведем  следующий.  Для  тонкого  измельчения  оксидных  порошков используют  аттритор  (рис.  1),  который  представляет  собой  горизонтально  расположенную  шаровую мельницу, имеющую центральный вал с импеллерами. Корпус и центральный вал имеют возможность вращаться в противоположных направлениях, что позволяет значительно активизировать измельчение дисперсных  материалов.  Привод  на  корпус  аттритора  и  центральный  вал  осуществляется  от  двух

электродвигателей   через   клиноременную   передачу.   Загрузка   и   выгрузка   размольных   тел   и обрабатываемого  порошка осуществляются через отверстие, закрываемое крышкой. Загрузка аттритора шарами и обрабатываемым порошком периодическая и составляет 0,55 от его объема.

 

Рис. 1. Аттритор для тонкого  измельчения 

В  качестве  примера  можно  привести  изменение  гранулометрического  состава  и  удельной поверхности частиц Аl2О3  , а также намол железа от размольных тел в зависимости от длительности измельчения.

К достоинствам аттриторов можно отнести существенное уменьшение длительности обработки и придание  обработанному  материалу  более  однородного  состава.  Уменьшение  размеров  рабочих  тел позволяет  достичь  чрезвычайно  высокой  дисперсности  обрабатываемого  материала  -  размеры  его частиц можно довести до 1 мкм и менее. Это обусловлено тем, что чем меньше размеры размольных тел,  тем меньшими  оказываются после измельчения частицы обработанного материала.  Еще одно преимущество аттриторов - возможность достижения весьма высоких значений энергонапряженности в рабочем объеме путем увеличения числа оборотов мешалки и интенсивности движения рабочих тел.

 

 

    3. 2. Основные особенности получения металлических порошков диспергированием расплавов водой.

Диспергирование расплавленного металла или сплава струей сжатого газа, жидкости или механическим способом позволяет получать порошки, называемые распыленными. Процесс характеризуется высокими производительностью, технологичностью, степенью автоматизации и сравнительно малыми энергозатратами, экологически чистый. Промышленное производство порошков в нашей стране составляет в соотношении 4-5 : 1 в пользу распыленных порошков.

В настоящее время  метод распыления широко используют для получения не только порошков железа, сталей и других сплавов  на основе железа, но и порошков алюминия, меди, свинца, цинка, тугоплавких металлов (титана, вольфрама и др.), а также сплавов на основе этих цветных металлов. Распыление весьма эффективно при получении порошков многокомпонентных сплавов и обеспечивает объемную равномерность химического состава, оптимальное строение и тонкую структуру каждой образующейся частицы. Это связано с перегревом расплава перед диспергированием, что приводит к высокой степени его однородности на атомарном уровне из-за полного разрушения наследственной структуры твердого состояния и интенсивного перемешивания, и кристаллизацией дисперсных частиц с высокими скоростями охлаждения – от 10³ – 10⁴ до нескольких десятков и даже сотен миллионов градусов в секунду.

Методы распыления металлического расплава различаются по виду затрачиваемой энергии (нагрев индукционный или косвенный, электродуговой, электронный, лазерный, плазменный и др.), виду силового воздействия на расплав при диспергировании (механическое воздействие, энергия газовых и водяных потоков, силы гравитационные, центробежные, воздействия ультразвука и т.д. ) и по типу среды для его создания и диспергирования (восстановительная, окислительная, инертная или какая-либо иная среда заданного состава, вакуум).

Сущность получения металлических  порошков из расплава заключается в нарушении сплошности его потока (струи или пленки) под действием различных источников возмущений с возникновением дисперсных частиц.

Рис. 5 Схема центробежного  распыления расплава.

Центробежное распыление представляет собой один из основных видовдиспергирования расплава. По методу вращающегося электрода распыление происходит в момент формирования расплава (Рисунок 5 – электрическая дуга, или электронный луч, плазма или другие источники энергии). Образовавшаяся на торце расходуемого электрода, вращающегося со скоростью 2000–20000 об/мин, пленка расплава толщиной 10–30 мкм под действием центробежных сил перемещается к его периферии и срывается с его кромки в виде частиц-капель преимущественно размером 100–200 мкм (увеличение диаметра расходуемого электрода и скорости его вращения приводит к уменьшению размера частиц-капель) Кристаллизация капель со скоростью охлаждения порядка 10⁴°С/сек происходит в атмосфере инертного газа.

Рис. 6 Схема диспергирования при автономной подаче жидкого металла

При других схемах диспергирования (Рисунок 6) плавление металла проводят автономно, вне зоны распыления. Когда  струю расплава подают на вращающийся  со скоростью до 24000 об/мин диск, на его вогнутой поверхности образуется пленка жидкого металла, от которой затем отрываются капли-частицы преимущественно размером <100 мкм и кристаллизуются в атмосфере инертного газа со скоростью 10⁵ – 10⁶ °С/сек.

7 – 108 °С/с, позволяет получать так называемые РИБЗ – (распыленные и быстрозакаленные порошки), когда на пути летящей капли устанавливают охлаждаемый экран под углом 15–45° к направлению ее движения; при ударе об экран капля перемещается по его поверхности и последовательно кристаллизуется в виде частицы пластинчатой формы.

 
Рис. 7 Схема получения  распыленных и быстрозакаленных порошков

На установке для  сверхбыстрого охлаждения в вакууме  или инертном газе (Рисунок 7, а) капли  расплава 1 выдуваются аргоном из отверстия в графитовом тигле 2, находящемся в трубчатой индукционной печи 3, и попадают на медный крылообразный кристаллизатор 4, вращающийся со скоростью до 104 об/мин (встречная скорость движения капли и кристаллизатора до 500 м/с).

Высокоскоростное затвердевание расплава обеспечивает извлечение малых объемов металла кромкой быстровращающегося (2000–5000 об/мин) в вертикальной плоскости диска из высокотеплопроводного материала (Рисунок 6, б). При контакте с расплавом на кромке диска затвердевает некоторый слой металла, затем он выходит из расплава и охлаждается, после чего частица отделяется от кромки диска (скорость охлаждения 106–108 °С/с).

В любом случае методы распыления при кристаллизации капли  расплава со скоростью более 106 °С/с приводят к получению порошков, частицы которых имеют аморфную структуру, придающую им чрезвычайно специфические свойства, позволяющие создавать уникальные материалы для различных отраслей техники.

 

 

 

    4. 2. Получение порошка титана восстановлением его оксида TiO₂ кальцием и гидридом кальция.

В некоторых  количествах титан и цирконий в виде мелкозернистых порошков получают восстановлением диоксидов титана и циркония кальцием или гидридом кальция (СаН2) при температурах 1000-1100 С. Восстановление гидридом кальция  является разновидностью кальциетермического восстановления, так как основным восстанавливающим агентом служит кальций, а не атомарный водород.

Гидрид кальция  получают действием сухого водорода на кальций при 400-600 °С. Выше 800 °С гидрид разлагается на кальций и атомарный водород, который рекомбинируется в молекулы водорода. В отличие от кальциетермического процесса в результате восстановления гидридом кальция получают порошки гидридов титана и циркония (TiH2, ZrH2). Это представляет некоторые преимущества, так как гидриды меньше окисляются при отмывке оксида кальция, чем порошки титана и циркония.

Восстановление TiO2 и Zr02 кальцием и гидридом кальция  протекает по суммарным реакциям:

МеО2 + 2 Са = Me + 2 СаО;

МеО2 + 2 СаН2 = МеП2 + 2 СаО + H2

где Me - титан, цирконий.

Теплоты реакций  недостаточно для самоподдерживаемого  процесса. Необходим постоянный подвод тепла. Вследствие способности титана и циркония растворять кислород получить в результате восстановления порошки  титана и циркония с содержанием  кислорода ниже 0,2-0,3% невозможно, так как при содержании кислорода 0,05-0,07 % сродство кальция к кислороду при 1000 С равно сродству титана и циркония к растворенному в них кислороду. Дополнительное количество кислорода находится в порошке в форме поверхностных оксидных пленок.

Восстановление  кальцием проводят в герметичных  аппаратах из жаростойкой стали, куда загружают брикетированную  смесь Ti02 или Zr02 с кальцием (в виде кусочков или стружки). Необходимо применять  кальций, очищенный дистилляцией и  не содержащий примесей азота и кислорода.

Аппарат откачивают, заполняют аргоном, нагревают до 1000-1100 С и выдерживают при этой температуре примерно 1ч. Продукт  восстановления измельчают, обрабатывают вначале большим объемом воды для удаления части СаО, затем  разбавленной НС1, промывают водой и сушат в вакууме при 40-50 С. При использовании для восстановления гидрида кальция в аппарат загружают брикеты из смеси диоксида титана или циркония с гидридом кальция. Гидрид кальция разлагается в присутствии влаги воздуха. Поэтому его хранят в герметичной таре, а измельчение и шихтовку проводят в герметизированных мельницах и смесителях, заполненных аргоном. Реактор после откачки заполняют сухим водородом и нагревают до 900-1000 С. Обработка продукта проводится, как описано выше.

Порошки титана, циркония или их гидридов, полученные восстановлением из оксидов титана и циркония кальцием или гидридом кальция, содержат 0,1-0,4 % О; 0,03-0,15 % N. Примеси других элементов зависят от чистоты исходных оксидов.

Порошки используют для получения компактных заготовок и изделий из титана и циркония и их сплавов с другими металлами методом порошковой металлургии.

 

 

 

    5. 2. Получение металлических порошков восстановлением газообразных соединений.

Из растворов соединений Νі, Cu, Co металлы вытесняют водородом в автоклавах. Сдвигать потенциал водорода в отрицательную сторону можно, повышая pH или увеличивая давление водорода. Эффективнее изменять pH, повышение которого на единицу эквивалентно изменению давления водорода в 100 раз. Термические расчеты показывают, указанные меаллы можно осадить уже при 25ºC и 0,1Мпа. Восстановление газообразных соединений водородом осуществляется в кипящем слое из галогенидов вольфрама, рения, молибдена, ниобия и титана. Получение высокодисперсных порошков в плазме перспективно для металлов, карбидов, нитридов и др. Восстановители – водород или продукты плазменной конверсии с высокой температурой и без окислителей. Оксид никеля восстанавливают в струе Ar – H2 или Ar – CO, причем содержание водорода близко к стехиометрическому, а теплообмен и плазмообразование происходят за счет аргона. Реакция лимитируется диссоциацией NiO, полное его восстановление достигается при 7000ºC.

 

 

    6. 3. Физические свойства металлических порошков.

К физическим свойствам  порошков относятся: форма частиц, их размер, удельная поверхность, плотность, микротвердость.

Форма частиц.