Производство металлических порошков

В настоящее время используют несколько способов производства металлических порошков, что позволяет варьировать их свойства, определяет качество и экономические показатели. Используемые способы можно разделить на две группы:

1) физико-механические способы получения порошков

2) химико-металлургические способы получения порошков.

Физико-механический способ изготовления порошков: превращение исходного материала в порошок происходит путём механического измельчения в твердом или жидком состоянии без изменения химического состава исходного материала.

К физико-механическим способам относят дробление, размол, распыление, грануляцию и обработку резанием измельчаемого материала. Наиболее целесообразно применять механическое дробление и размол для хрупких металлов и их сплавов, таких как кремний, сурьма, хром, марганец, ферросплавы, сплавы алюминия с магнием. Размол вязких пластичных металлов (медь, алюминий и др.) затруднен. В этом случае порошки получают резанием, грануляцией или распылением. В качестве сырья для производства порошков можно использовать отходы, образующиеся при обработке металлов (стружка, опилки, обрезка и др.).

При измельчении комбинируются различные виды воздействия на материал: статическое (сжатие) и динамическое (удар, срез, истирание). Сжатие и удар применяют для получения крупных частиц, а срез и истирание - при тонком измельчении. Для грубого размола используют щековые, валковые, конусные дробилки и бегуны, при этом получают частицы размером от 1 до 10 мм. Эта грубая фракция является исходным материалом для последующего тонкого измельчения, обеспечивающего производство металлических порошков. Исходным материалом для тонкого измельчения может быть и стружка, получаемая при точении, сверлении, фрезеровании и других операциях обработки резанием. При резании большинства материалов путем изменения режима обработки, угла резания и введения колебательных движений можно получать кусочки стружки размером 3-5 мм. Окончательный размол полученного материала проводится в шаровых, центробежных, вихревых и молотковых мельницах.

Распыление и грануляция жидких металлов являются наиболее простыми и дешевыми способами изготовления порошков металлов с температурой плавления Т _пл до 1600 ^оС (алюминий, железо, сталь, медь, цинк, свинец, никель и др). Измельчение исходного материала происходит путем дробления струи расплава потоком газа или жидкости, либо механическим распылением, либо сливанием струи расплава в жидкую охлаждающую среду (например, в воду). Наиболее широко применяется способ распыления металлов. При этом размеры частиц получают от 1 до сотых долей миллиметра.

Химико-металлургический способ: металлический порошок получается в результате протекания определенных химических реакций, при этом изменяется химический состав или агрегатное состояние исходного материала.

Основными процессами при химико-металлургическом производстве порошков являются:

1) восстановление окислов;

2) электролиз металлов;

3) термическая диссоциация карбонильных соединений.

Восстановление окислов. Простейшая реакция восстановления:

 

МеА + Х = Ме + ХА ± Q,

 

где Ме – любой металл; А – неметаллическая составляющая (кислород, хлор, фтор, солевой остаток и др.) химического соединения восстанавливаемого металла; Х – восстановитель; Q – тепловой эффект реакции.

Железный порошок получают восстановлением окисленной руды или прокатной окалины. Железо в указанных материалах находится в виде окислов: Fe₂O₃, Fe₃O₄.

Порошок вольфрама получают из вольфрамового ангидрида, являющегося продуктом разложения вольфрамовой кислоты Н₂WO₄ в процессе прокаливания при 700-800 ^оС.

Этим же методом (восстановления) получают порошки молибдена, титана, циркония, тантала, ниобия, легированных сталей и сплавов.

Электролиз наиболее экономичен при производстве химически чистых порошков меди. Физическая сущность электролиза состоит в том, что при прохождении электрического тока водный раствор или расплав соли металла, выполняющий роль электролита, разлагается и металл осаждается на катоде.

Карбонильный процесс. Карбонилы – это соединения металлов с окисью углерода: Me(CO), обладающие невысокой температурой образования и разложения.Процесс получения порошков этим методом состоит из двух главных этапов:

1) получение карбонила из исходного соединения:

 

MeX + CO = X + Me(CO);

 

2) образование металлического порошка:

 

Ме(СО) = Ме + СО.

 

Для синтеза карбонилов используют металлсодержащее сырье – стружку, обрезки, металлическую губку и т.п. Карбонильные порошки содержат примеси углерода, азота, кислорода (массовая доля 1-3 %). Очистку порошка производят путем нагрева в сухом водороде или в вакууме до температуры 400-600 ^оС. Этим методом получают порошки железа, никеля, кобальта, хрома, молибдена, вольфрама.

 

Свойства порошков

Порошки характеризуются химическими, физическими и технологическими свойствами.

Химические свойства металлического порошка зависят от химического состава исходных материалов и метода получения порошка. Массовая доля основного металла в порошках составляет 98-99 %. При изготовлении изделий с особыми свойствами, например, магнитными, применяют более чистые порошки. Допускаемое количество примесей в порошке определяется их количеством в готовой продукции. Исключение сделано для окислов железа, меди, никеля, вольфрама и некоторых других металлов, которые при нагреве в присутствии восстановителя легко образуют активные атомы, улучшающие спекаемость порошков. Массовая доля таких окислов в порошке может составлять 1-10 %. В металлических порошках содержится значительное количество газов (кислород, водород, азот и др.), как адсорбированных на поверхности, так и попавших внутрь в процессе изготовления или при последующей обработке. С уменьшением частиц порошка увеличивается адсорбция газов этими частицами.

При восстановлении химических соединений часть газов-восстанови-телей и газообразных продуктов реакции не успевает выйти наружу и находится 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. 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 характеризуются формой, размерами и гранулометрическим составом, удельной поверхностью, плотностью и микротвердостью.

Форма частиц в зависимости от метода изготовления порошка получаются: сферическая (при карбонильном способе, распылении), губчатая (при восстановлении), осколочная (при измельчении в шаровых мельницах), тарельчатая (при вихревом измельчении), дендритная (при электролизе) и каплевидная (при распылении).

Форма частиц может несколько изменяться при последующей обработке порошка (размол, отжиг, грануляция). Контроль формы частиц выполняют на микроскопе.

Форма частиц влияет на плотность, прочность и однородность прессованного изделия.

Размер частиц и их гранулометрический состав. Значительная часть порошков представляет собой смесь частиц размером от долей микрометра до десятых долей миллиметра. Самый широкий диапазон размеров частиц имеется 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 1,00 м²/г (у отдельных порошков: 4 м²/г у вольфрама, 20 м²/г у карбонильного никеля). Удельная поверхность порошка зависит от метода его получения и значительно влияет на прессование и спекание.

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 на приборе – пикнометре, представляющем собой колбочку определенного объема и заполняемую сначала на 2/3 объема порошком и после взвешивания дозаполняемую жидкостью, смачивающей порошок и химически инертной к нему. Затем снова взвешивают порошок с жидкостью. 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.

Микротвердость порошковой частицы характеризует ее способность к деформированию. Микротвердость 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 2 Н. Измерение выполняют на приборах для измерения микротвердости ПМТ-2 и ПМТ-З.

Технологические свойства порошка: насыпная плотность, текучесть, прессуемость и формуемость.

Насыпная плотность – масса единицы объема порошка при свободном заполнении объема.

Текучесть порошка – скорость заполнения единицы объема. Определяется массой порошка, высыпавшегося через отверстие заданного диаметра в единицу времени.

От текучести порошка зависит скорость заполнения прессформы и производительность прессования. Текучесть обычно уменьшается с увеличением удельной поверхности и шероховатости частичек порошка вследствие усложнения их формы. Последнее обстоятельство затрудняет относительное перемещение частиц. Влажность также значительно уменьшает текучесть порошка.

Прессуемость – свойство порошка приобретать при прессовании определенную плотность в зависимости от давления.

Прессуемость в основном зависит от пластичности частиц порошка. Количественно прессуемость определяется плотностью спрессованного брикета.

Формуемость – свойство порошка сохранять заданную форму, полученную после уплотнения при минимальном давлении.

Формуемость определяется формой и состоянием поверхности частиц. Формуемость оценивают качественно, по внешнему виду спрессованного брикета, или количественно - величиной давления, при котором получают неосыпающийся, прочный брикет.

Чем выше насыпная масса порошка, тем хуже, в большинстве случаев, формуемость и лучше прессуемость.