Методы получения порошков. 2

      Содержание

1 Общая характеристика  порошковой металлургии и свойства  порошков…….…..3

2 Механические методы получения порошков………………………………..……...7

Заключение…………………………………………………………………………….21

Список литературы…………………………………………………………………....22 

       1 Общая характеристика порошковой металлургии и свойства порошков 

      Порошковой  металлургией называют область техники, охватывающую совокупность методов  изготовления порошков металлов и металлоподобных  соединений,  полуфабрикатов и изделий  из  них или  их  смесей  с  неметаллическими порошками без расплавления основного компонента.

      Из  имеющихся  разнообразных  способов  обработки металлов порошковая металлургия  занимает особое место, так как позволяет  получать не только изделия различных  форм и назначений, но и создавать  принципиально новые материалы,  которые другим путем получить  или очень трудно или невозможно.  У таких материалов можно получить уникальные свойства, я ряде случаев существенно повышается  экономические  показатели  производства.  При этом способе практически в большинстве случаев коэффициент  использования материала составляет около 100%.

      Порошки металлов применяли и в древнейшие времена. Порошки меди, серебра и  золота применяли в красках для  декоративных целей в керамике,  живописи во все известные времена. При раскопках найдены орудия из железа древних египтян (за  3000  лет до нашей эры),  знаменитый памятник из железа в Дели относится и 300 году нашей эры. До 19 века не было известно способов получения высоких температур  (около 1600-1800 С).  Указанные предметы из железа были изготовлены кричным методом: сначала а горнах  при  температуре  1000 С восстановлением железной руды углем получали крицу(губку),  которую затем многократно проковывали  в  нагретом состоянии,  а завершали процесс нагревом в горне для уменьшения пористости. На Киевской Руси железо получали за 1400 лет до новой эры.

      С появлением доменного производства от крицы отказались и о порошковой металлургии забыли.

      Заслуга возрождения порошковой металлургии  и превращения ее в особый технологический метод обработки  принадлежит  русским ученым П.Г. Соболевскому и В.В. Любарскому, которые в 1826 г., за три года до работ англичанина Воллстана, разработали технологию прессования и спекания платинового порошка.

      Типовая технология производства заготовки  изделий  методом порошковой  металлургии включает четыре основные операции: 1) получение порошка исходного материала; 2)формование заготовок; 3)спекание и 4) окончательную обработку,  каждая из указанных операций  оказывает  значительное  влияние   на   формирование свойств готового изделия.

        Спеченные антифрикционные материалы  позволили повысить надежность  и долговечность узлов трения, снизить потери на трение, заменить  дорогостоящие подшипники качения,  на подшипники скольжения или  баббиты и брынзы на железографитовые псевдосплавы. Разработка материалов твердыми смазками сделала возможным их применение в устройствах, где использование жидких смазок вообще не допустимо, например в пищевой промышленности, при высоких температурах.

         Пористые порошковые материалы широко используются в узлах трения, фильтрах, тепловых трубах, уплотнениях.

      Фрикционные порошковые материалы являются,  по существу, композиционными и состоят  из металлических и неметаллических  компонентов. Они имеют наиболее высокие фрикционные свойства и широко применяются.

      Электротехнические  материалы – контакты, магнитомягкие  и магнитотвердые материалы, инструменты  для электроэрозионной обработки, точечной и роликовой сварки –  находят все более широкое  применение в электротехнике, энерго – и аппаратостроении, автоматике и телемеханике, радиоэлектронике и других отраслях.

        Порошковые конструкционные материалы   являются наиболее распространенной  продукцией порошковой металлургии.. Потребность в них составляет  около 60% суммарной потребности в продукции порошковой металлургии.  

      Жаропрочные, жаростойкие и композиционные материалы  определяют развитие отраслей современной  техники, где без обеспечения  специальных свойств  невозможна эксплуатация машин и агрегатов: авиационной, ракетной техники, космонавтики, химического машиностроения. Для их нужд были созданы тугоплавкие металлы и сплавы, тугоплавкие соединения, получаемые в большинстве случаев только методами порошковой металлургии.

          Тугоплавкие и твердые бескислородные соединения  и материалы на их основе карбиды, бориды, нитриды, силициды и другие - находят применение благодаря своим уникальным свойствам во многих отраслях  промышленности, например инструментальной.

          Твердые сплавы -  важнейшие широко  распространенные порошковые материалы, при получении которых в полной мере реализуются возможности порошковой металлургии : получение композиционных материалов из компонентов с резко различной температурой плавления, достижение уникального комплекса физико – механических свойств, безотходная технология. Применяются твердые сплавы в инструментальной промышленности, буровой технике, при обработке давлением.

           Материалы для современной атомной  энергетике должны выдерживать  экстремальные механические и  термические нагрузки с одновременным  воздействием физических факторов, они используются в качестве поглощающих и замедляющих элементов, а так же топлива. Определенную их часть составляют порошковые материалы.

         Эрозионностойкие  материалы   должны сочетать разнообразные  и необычные свойства изделий и обеспечивать их работоспособность в очень тяжелых  условиях эксплуатации. Примером могут служить турбины, где наиболее напряженной деталью является сопловой вкладыш, рабочая температура на поверхности составляет 3500-3600°С.

           С увеличением связности частиц увеличиваются затраты на формирование изделий, но уменьшается вероятность взаимодействий материала с внешней средой и затраты на его защиту. Порошок, являющийся исходным материалом для ПМ, в этом отношении занимает промежуточное положение между жидкостью твердым телом , обладая совокупностью частиц текучестью, а в объеме каждой частицы – деформируемостью.

      Металлическим порошком - называется совокупность частиц металла, сплава или металлоподобного соединения размерами до миллиметра, находящихся в контакте и не связанных между собой.

       2 Механические методы получения порошков 

      Способы получения порошков делятся на механические и физико-химические.

      Механические  методы обеспечивают превращение исходного материала в порошок без заметного изменения его химического состава. Чаще всего используют измельчение твердых материалов в мельницах различных конструкций и диспергирование расплавов.

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

      Механические методы получения порошков

      Основным  механическим методам получения  порошков относятся:

      1. Дробление и размол твердых материалов.

      Измельчение стружки, обрезков и компактных материалов проводят в шаровых, вихревых, молотковых и других мельницах, к.п.д. которых сравнительно невелик. Получают порошки Fe, Cu, Mn, латуни, бронзы, хрома, алюминия, сталей.

      2. Диспергирование расплава.

      Струю расплавленного металла диспергируют механическим способом (воздействием центробежных сил и др.) или действуя на нее потоком энергоносителя (газа или жидкости). Получают порошки алюминия, свинца, цинка, бронзы, латуни, железа, чугуна, стали.

      3. Грануляция расплава.

      Порошок образуется при сливании расплавленного металла в жидкость (например, в  воду). Получают крупные порошки  железа, меди, свинца, олова, цинка.

      4. Обработка твердых (компактных) металлов резанием.

      При станочной обработке литых металлов или сплавов подбирают такой  режим резания, который обеспечивает образование частиц, а не стружки. Получают порошки стали, латуни, бронзы, магния.

      Механическое измельчение компактных металлов широко распространено в порошковой металлургии. Измельчение может быть дроблением, размолом, истиранием. Наиболее целесообразно применять механическое измельчение при производстве порошков хрупких металлов и сплавов, таких как Si, Be, Cr, Mn, сплавы Al с Mg и др. Размол вязких пластичных металлов (Zn, Al, Cu) затруднен, так как они в основном расплющиваются, а не разрушаются.

      При измельчении комбинируют раздавливание и удар (при получении крупных частиц) и истирание и удар (при тонком измельчении). При дроблении затрачиваемая энергия расходуется на упругую и пластическую деформацию, на теплоту и на образование новых поверхностей. При дроблении под действием внешних сил в наиболее слабых местах тела образуются замкнутые или начинающиеся у поверхности трещины. Разрушение наблюдается тогда, когда трещины пересекают твердое тело по всему его сечению в одном или нескольких направлениях. В момент разрушения напряжения в деформирующемся теле превышают некоторое предельное значение (предел прочности материала).

      Работа, затрачиваемая на измельчение, представляет собой сумму s D S + KD . Слагаемое s D S - это энергия, расходуемая на образование новых поверхностей раздела при разрушении твердого тела (s - удельная поверхностная энергия, D S - происходящее при измельчении приращение поверхности). Слагаемое KD V - выражает энергию деформации (К - работа упругой и пластической деформации на единицу объема твердого тела, а DV - часть объема тела, подвергшаяся деформации).

      При крупном дроблении вновь образующаяся поверхность невелика. Поэтому s D S << KD V и расход энергии приблизительно пропорционален объему разрушаемого тела. При тонком измельчении вновь образующаяся поверхность очень велика и s D S >> KD V. Поэтому расход энергии на измельчение приблизительно пропорционален вновь образующейся поверхности.

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

        В качестве примера рассмотрим  размол в шаровых мельницах.

      Простейший  аппарат для измельчения дробленых  твердых материалов - шаровая вращающийся мельница, которая представляет собой металлический цилиндрический барабан (Рисунок 1). Внутри барабана находятся размольные тела полиэдрической или округлой формы, чаще всего стальные или твердосплавные шары. При вращении мельницы размольные тела поднимаются на некоторую высоту в направлении вращения, затем падают или скатываются и измельчают материал, истирая его и раздрабливая. Соотношение между дробящим и истирающим действием размольных тел в мельнице зависит от отношения диаметра цилиндра D к длине цилиндра L при одинаковом объеме. При D:L>3 преобладает дробящее действие размольных тел (полезно для измельчения хрупких тел), при D:L<3 - истирающее действие (более эффективное для измельчения пластичных материалов).

      На  интенсивность и механизм размола  оказывают сильное влияние скорость вращения барабана мельницы, число  и размер размольных тел, масса измельчаемого  материала, продолжительность и  среда размола. С увеличением скорости вращения барабана мельницы размольные тела падают с большей высоты, производя главным образом дробящее действие. При дальнейшем увеличении скорости вращения барабана размольные тела будут вращаться с барабаном и материал будет измельчаться незначительно. Эту скорость называют критической скоростью вращения.

     Рассмотрим  поведение единичного размольного  тела, например шара (Рисунок 2). Одиночный  шар весом Р на поверхности  барабана мельницы, вращающегося со скоростью v (м/с), в точке m будет находиться под действием центробежной силы, равной Pv²/gR, где g – ускорение силы тяжести, R - внутренний радиус барабана мельницы. При угле подъема a сила собственного веса шара может быть разложена на силы, одна из которых направлена по радиусу и равна Р sin a  , а другая – по касательной и равна Р cos  a .

     Не  принимая во внимание трение, можно  установить, что одиночный шар  будет удерживаться на стенке барабана до тех пор, пока

     (Pv²/gR) = Р sin a  , или (v²/gR) = sin  a .

     Если  скорость вращения n такова, что в момент прохождения шара через зенит, при котором a  = 90^o, шар остается на стенке барабана, то sin 90° = v²/gR = 1, или v² = gR. При этом число оборотов барабана мельницы n_кр (об/мин), а v=pDn_кр.l60, поэтому

     p ²D²n_кр.²/60² = g D/2                       (1),

     где D — внутренний диаметр барабана мельницы. Отсюда находим, об/мин:

     n_кр.= Ö g/2p ²(60/Ö D)=42,4/Ö D         (2).

      На  процесс измельчения большое  влияние оказывает масса шаров  и ее отношение к массе измельчаемого  материала. Обычно в мельницу загружают 1,7-1,9 кг стальных шаров на 1 л. объема. При этом коэффициент заполнения j является оптимальным, и составляет 0,4 - 0,5. При больших значениях j шары сталкиваются друг с другом, теряя энергию, и не производят достаточно эффективного измельчающего действия, а при меньшей загрузке шаров резко снижается производительность измельчающего устройства. Количество (масса) загружаемого для размола материала должно быть таким, чтобы после начала измельчения его объем не превышал объема пустот (зазоров) между размольными телами. Если материала будет больше, то часть его, не вмещающаяся в зазоры, измельчается менее интенсивно. Обычно соотношение между массой размольных тел и массой измельчаемого материала составляет 2,5 - 3. При интенсивном измельчении это соотношение увеличивается до 6 - 12 и даже больше.

      Размер  размольных тел (диаметр шаров) также  оказывает влияние на процесс  размола. Размер размольных тел должно быть в пределах 5 - 6% внутреннего  диаметра барабана мельницы. Лучше применять набор размольных тел по размерам (например, при соотношении 4:2:1).

      Для интенсификации процесса размола его  проводят в жидкой среде, что препятствует распылению материала. Кроме того, проникая в микротрещины частиц, жидкость создает  большое капиллярное давление, способствуя  измельчению. Жидкость также уменьшает трение как между размольными телами, так и между частицами обрабатываемого материала. Жидкой средой обычно служат спирт, ацетон, вода, некоторые углеводороды и пр.

      Длительность  размола составляет от нескольких часов  до нескольких суток.

      Для шаровых вращающихся мельниц соотношение средних размеров частиц порошка до и после измельчения, называемое степенью измельчения, составляет 50 – 100. Форма частиц, получаемая в результате размола в шаровых вращающихся мельницах, обычно осколочная, т.е. неправильная, с острыми гранями, а шероховатость их поверхности невелика.

      Возможны  несколько режимов измельчения. Наконец, может быть создан еще один вариант режима размола, получивший название режима скольжения. При использовании мельниц с гладкой внутренней поверхностью барабана и при небольшой относительной загрузке размольные тела не циркулируют внутри барабана мельницы. Вся их масса скользит по поверхности вращающегося барабана и их взаимное перемещение почти отсутствует. Этот режим называют режимом скольжения (сектор АВС, рисунок 3, а). Измельчение материала при таком режиме размола малоэффективно, так как происходит путем истирания его лишь между внешней поверхностью размольных тел и стенкой барабана мельницы.

      При получении измельченных материалов с размером частиц порядка 1 мкм размол путем дробления падающими шарами становится малоэффективным. В таких  случаях применяют режим перекатывания шаров (рисунок 3, б), при котором они не падают, а поднимаются вместе со стенкой вращающегося барабана мельницы и затем скатываются по наклонной поверхности, образованной их массой. Измельчаемый материал истирается между шарами, циркулирующими в объеме, занимаемом их массой. При режиме перекатывания различимы четыре зоны движения шаров: зона их подъема по стенке барабана с некоторой не очень высокой скоростью, зона скатывания с наибольшей скоростью, зона встречи скатившихся шаров со стенкой барабана и центральная застойная зона, в которой шары почти неподвижны. Увеличивая скорость вращения барабана мельницы, можно повысить эффективность режима перекатывания путем сужения или полной ликвидации застойной зоны в шаровой загрузке.

      Наличие перекатывания или скольжения размольных тел при вращении барабана мельницы зависит (при прочих равных условиях) от относительной загрузки j. При загрузке большого числа шаров (или размольных тел другой формы, но обязательно полиэдрической) происходит перекатывание, а при малой загрузке — скольжение. Изменяя величину загрузки мельницы размольными телами, можно получать в одних случаях режим перекатывания, а в других — режим скольжения, причем в зависимости от устанавливающегося режима эффективность размола будет различной.

      Кроме вращающихся мельниц используют также вибрационные, планетарные, центробежные и гироскопические мельницы (вращаются относительно горизонтальных и вертикальных осей), мельницы с магнитно-индукционным вращателем (для ферромагнитных материалов), вихревые мельницы (измельчение за счет создания вихревых потоков, создаваемых двумя пропеллерами, расположенных друг против друга), молотковые мельницы (используется молот для дробления губчатых материалов).

     1-корпус-барабан, 2-вибратор вращения, 3-спиральные  пружины, 4-электродвигатель, 5-упругая  соединительная муфта

     Рисунок 4 - схема вибрационной мельницы  

     При более высокой частоте воздействия внешних сил на частицы материала применяют вибрационные мельницы (рисунок 4). В таких  мельницах  воздействие на материал заключается я создании сжимающих и срезывающих усилий переменной величины, что создает  усталостное разрушение порошковых частиц.  В показанной на рисунке  2 мельнице дисбалансный вал - вибратор 2,  вращающийся с частотой  1000-3000об/мин при амплитуде 2...4 мм вызывает круговые движения корпуса 1 мельницы с размольными телами  и  измельчаемым материалом. В этом случае измельчение протекает интенсивнее, чем в шаровых мельницах.

     Измельчение ультразвуком. Измельчение ультразвуком производят в среде, где распространяются упругие волны, образующиеся при периодическом чередовании сжатия и разрежения этой среды с частотой свыше 16000 Гц. В жидкой среде возникает кавитация, то есть разрывы из- за действия  на жидкость растягивающих усилий. Диспергирование ведут в воде, спирте, ацетоне. Генерирование ультразвуковых колебаний производится с использованием магнитострикции и обратного пьезокварцевого эффекта. 

      Другим  распространенным методом получения  порошков является диспергирование расплавов.

      Эти методы квалифицируются по  трем признакам.

1) вид  энергии, используемой для создания  расплава: электрическая дуга, плазма, лазерный, индукционный нагрев.

2) вид  силового воздействия на расплав:  гравитация, энергия газовых и  водяных струй, центробежные силы, энергия газов и паров, выделяющихся  из расплава, механическое, магнитогидродинамическое, ультразвуковое.

3) среда  реализации процесса плавления и диспергирования: окислительная, восстановительная, инертная, реакционная заданного состава, вакуум и другая.

      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.

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

      Центробежное  распыление представляет собой один из основных видов диспергирования 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.

      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.