Методы получения металлических порошков

Обновлено: 04.05.2024

Порошковая металлургия является одной из отраслей металлургической промышленности, включающей в себя ряд малоотходных способов изготовления изделий и материалов из порошков различных металлов в чистом виде либо в составе определенных композиций. Технология имеет общие черты с керамическим производством, поэтому продукция, полученная посредством данного метода, нередко именуется металлокерамической, или просто металлокерамикой. Технология получения металлокерамики особенно широко применяется для массового производства, позволяя получать без дополнительной обработки, а значит, и без отходов, изделия высоких классов точности. Метод порошковой металлургии востребован также в случаях, когда он является единственной возможностью наделить изготавливаемую продукцию теми или иными уникальными свойствами.

Применяемые порошки и способы их получения

Получение металлических порошков – самый затратный и трудоемкий этап производственного процесса. При этом набор заданных эксплуатационных характеристик определяется физико-химическими свойствами, насыпной плотностью, размерами частиц и рядом других функциональных критериев применяемых порошков.

метод электролиза (электролитический метод) с осаждением на катоде металлов из растворов/расплавов под воздействием постоянного тока (порошки электролитические ПЭ);
метод карбонильной диссоциации – разложение карбонилов на металлическую порошковую фракцию и газообразный монооксид углерода (СО) (порошки карбонильные ПК);
метод химического восстановления металла из первичного сырья (руд, окалины и т.п.).

железа (Fe) электролитический;
меди (Cu) электролитический; (Ti) электролитический;
циркония (Zr) электролитический;
ниобия (Nb) электролитический;
тантала (Та) электролитический;
урана (U) электролитический.

Путем разложения карбонилов получают, в частности, никелевый порошок (Ni) карбонильный, вольфрамовый порошок (W) карбонильный и молибденовый порошок (Mo) карбонильный, а также карбонильный порошок железа (Fe).

Методом химического восстановления получают кобальтовый порошок (Co), никелевый порошок (Ni), вольфрамовый порошок (W), молибденовый порошок (Mo), а также порошки железа (Fe), меди (Cu), ниобия (Nb) и других металлов.

Технологические этапы производственного процесса

смешивание;
формовка;
спекание;
калибровка.

На этапе смешивания из металлических порошков с различным химико-гранулометрическим составом (возможны неметаллические порошковые добавки) готовят однородную порошкообразную субстанцию – шихту.

Этап формовки заключается в преобразовании полученной сыпучей шихты в достаточно прочные первичные заготовки пористой структуры. Наиболее распространенным видом формовки является способ холодного прессования, когда шихту, засыпаемую в специальные пресс-формы, спрессовывают под давлением от 32 до 1100 МПа на механических, пневматических или гидравлических прессах.

Следующим технологическим этапом метода порошковой металлургии является термообработка (спекание) сформованных заготовок при температурах более низких, чем t° плавления, в результате чего за счет когезии (когезия - связь между молекулами (атомами, ионами) внутри тела в пределах одной фазы) частицы порошка преобразуются в единый монолит на молекулярном уровне. При этом в заготовках из однородного металлического порошка максимальный эффект достигается в режиме, составляющем 72–92% t° плавления металла. При спекании смесей на основе цементированных карбидов применяется температурный режим, близкий к t° плавления связующего компонента. Чтобы не допустить окисления, процесс спекания во всех случаях проводят в защитной вакуумной либо газовой среде (Н, СО, N, Ar).

Заключительной стадией процесса является калибрование получаемых изделий с целью обеспечить требуемую точность заданных габаритных параметров, повысить степень прочности и класс чистоты поверхности.

Продукты порошковой металлокерамики и области их использования

Металлокерамические материалы, изготавливаемые при помощи метода порошковой металлургии, называются спеченными. Все спеченные материалы подразделяют на ряд функциональных категорий.

Конструкционная металлокерамика, обладающая высокими механическими характеристиками, используется в машиностроении для производства высоконагруженных деталей (шестерни, зубчатые колеса, червячные пары, клапаны, муфты и т.д.).

Структура антифрикционных металлокерамических материалов построена таким образом, что в ней органично сочетаются твердая матрица и мягкий наполнитель, чего можно добиться лишь порошковым методом. Антифрикционные материалы имеют стабильно невысокий коэффициент трения и хорошо прирабатываются. Из них производят, в частности, большинство разновидностей подшипников скольжения.

Фрикционную металлокерамику отличают прочность и высокие показатели стойкости к износу. Поэтому она находит особенно широкое применение в станкостроении при изготовлении узлов передачи кинетической энергии.

Фильтрующие спеченные материалы, в отличие от получаемых иными способами, имеют более оптимальные значения термостойкости, очистительной способности, абразивной износостойкости и прочих функциональных параметров. Помимо непосредственно фильтров, из них также производят специальные уплотнительные прокладки, элементы пламегасителей, систем антиобледенения, конденсаторов и целый ряд других изделий.

Порошковые твердые сплавы обладают композитной структурой, включающей в себя частицы тугоплавких карбидов высокой твердости (WC, TiC и т.д.) и пластичное металлическое связующее (чаще всего зерна Co). Их применяют для производства активных компонентов металлорежущего, штамповочного, бурового инструмента.

К категории высокотемпературной порошковой металлокерамики принадлежат сплавы на базе тугоплавких металлов (W, Mo, Nb, Та, Zr, Re, Ti и др.). Они востребованы в космической, авиационной, судостроительной, электротехнической, радиоэлектронной и многих других отраслях. Электротехническая порошковая металлокерамика – это так называемые псевдосплавы сложной композиционной структуры, получение которых иными способами не представляется возможным. Они незаменимы для изготовления электрических контактных групп, на их основе производят постоянные магниты, ферриты, другие токопроводящие материалы и диэлектрики.

Порошковая металлокерамика для ядерной энергетики с набором особых свойств (на основе В, Hf, Cd, Zr, W, Pb, U, РЗЭ и т.д.) применяется в изготовлении регуляционных стержней, ТВЭЛов, замедлителей, поглотителей, других компонентов атомных реакторов.

Рисунок 1. Изделия порошковой металлургии.

Достоинства и недостатки метода порошковой металлургии в сравнении с другими технологиями

Производство изделий из спеченных материалов имеет целый ряд преимуществ по сравнению с традиционными технологиями металлообработки (резание, литье, ковка, штамповка и т.д).

невозможность изготовления многих видов продукции иными методами, кроме порошкового;
безотходность (с пользой задействуется до 95-98% исходного материала);
наличие высоких эксплуатационных характеристик получаемых изделий;
экономичность, особенно при массовом производстве, вследствие относительной простоты технологии (за исключением этапа изготовления порошков).

сложность техпроцесса получения металлических порошков и, как следствие, их высокая себестоимость;
необходимость спекания в защитно-восстановительных средах, что также повышает себестоимость продуктов порошковой металлокерамики;
сложность производства заготовок обширных габаритов и криволинейных конфигураций.

Порошковая металлургия являясь одним из относительно новых направлений современного материаловедения, развивается стремительными темпами. Вот почему ее немногочисленные недостатки вряд ли следует воспринимать в качестве постоянно действующих факторов. По мере дальнейшего становления научно-технического прогресса метод порошковой металлургии будет становиться все более значимым для повседневной жизнедеятельности.

телефоны:
8 (800) 200-52-75
(495) 366-00-24
(495) 504-95-54
(495) 642-41-95

Методы получения металлических порошков

Существующие методы получения металлических порошков можно подразделить на две группы:
1) получение порошков из металла в твердом, жидком или газообразном состоянии (механические, физико-механические и физические методы);
2) получение металлических порошков из соединений металлов (физико-химические методы).
К наиболее важным методам первой группы относятся: а) различные способы механического измельчения в порошок компактных или грубо измельченных твердых металлов; б) способы распыления в порошок расплавленных металлов.
Наиболее распространенным методом второй группы является получение порошков восстановлением окислов металлов. Менее распространены электролиз и термическое разложение карбонильных соединений металлов.

Измельчение в мельницах обычного типа. Механическое измельчение можно производить в обычного типа шаровых или молотковых мельницах. Для ковких металлов оно приводит не к дроблению, а к расплющиванию частиц, и поэтому его применяют только в случаях: а) измельчения хрупких и малопрочных скоплении (агломератов) частиц ковкого металла как заключительной операции других методов получения порошков (дробление восстановленной железной губки, измельчение хрупких электролитических осадков железа, размол спекшегося в результате довосстановления измельченного железа); б) измельчения ковких металлов с ослабленной связью между зернами; в) измельчения ковких металлов, которым искусственно придана хрупкость (например, дробление сплава железа и никеля — пермаллоя облегчается примесью незначительных количеств серы).
На рис. 1 показана схема молотковой мельницы, применяемой для дробления спекшихся кусочков железного порошка размерам 2—1 мм.
Недостатком измельчения металлов в обычного типа мельницах является также загрязнение порошков продуктами истирания стальных шаров и футеровки мельниц.

Измельчение в вихревых мельницах. Вихревая мельница (рис. 2) состоит из футерованного износоустойчивой марганцовистой сталью кожуха 1, в котором вращаются с большой скоростью (3000 об/мин) в противоположных направлениях два пропеллера 2, отлитых также из марганцовистой стали. Раздробляемый материал загружают в бункер 4 в виде грубоизмельченных кусочков (обрезков проволоки, стружки и т. п.), которые, сталкиваясь один с другим при большой скорости в вихревых потоках, дробятся на частицы размером от 0,02 до 0,4 мм. Мельница имеет приспособление 3 для воздушной сортировки порошков по размерам частиц. Кожух снабжен водяной рубашкой и охлаждается проточной водой для предохранения порошков От перегрева при измельчении. Для размола в атмосфере защитного газа имеется специальная подводка.
В более усовершенствованной конструкции вихревой мельницы поток воздуха подводится из центробежного вентилятора в кожух мельницы и разбивается билами, которые смонтированьи на одном валу с вентилятором.
В вихревой мельнице новой конструкции, разработанной Т. Окашура и К. Иганаки, встречные вихревые потоки вызываются быстрым вращением (2400 об/мин) расположенного эксцентрично к кожуху червячного вала, одна половина которого имеет правую, а другая — левую резьбу.
Основные преимущества вихревого размола: 1) порошок не загрязняется металлом дробящих тел. например стальных шаров, и 2) частицы порошка расплющиваются и теряют шероховатость в меньшей мере, чем при размоле в обычных мельницах.
Структура частиц порошков зависит от длительности вихревого размола. При кратковременном размоле (2—10 мин. иногда даже до 30—40 мин.) обрезков проволоки и стружки получают частицы преимущественно сферической формы, в табл. 1 показано влияние условий paзмола в вихревой мельнице на выход сферических частиц для случая измельчения обрезков проволоки различных металлов.
При более длительном вихревом размоле частицы ковкого металла сплющиваются и обычно имеют характерную форму тарелки с загнутыми краями (рис. 3).

Для улучшения прессуемости и снятия наклепа порошки отжигают в защитной среде (железные порошки в течение 1—2 час. при 800—1000°).
Производительность, вихревой мельницы с двигателем мощностью 20 квт около 7—10 кг/час (в зависимости от крупности порошка). Расход энергии на 1 кг порошка 2,5—3 квт*ч. Один рабочий может обслуживать одновременно несколько мельниц.
Получение железных порошков вихревым измельчением менее экономично и требует более высоких капиталовложений, чем получение распылением жидкого металла и восстановлением.

Первоначально измельчение металла в порошок распылением его в жидком состоянии применяли для сравнительно легкоплавких металлов — олова, свинца, цинка, алюминия, меди и их сплавов. За последние 15 лет в крупном производственном масштабе этими методами получают также железные порошки.

Для получения грубых порошков с частицами сферической формы размером 0,5—3 мм применяется наиболее простой способ — гранулирование при литье в воду. На рис. 4 схематически показана установка Реннерфельта — Каллинга для гранулирования малоуглеродистого чугуна с незначительным содержанием кремния. Расплавленный чугун гранулируется при литье в воду на вращающийся диск. Полученная дробь обезуглероживается при отжиге в атмосфере СО—СО2 во вращающейся печи.

Весьма интересен способ центробежного распыления, который совмещает распыление жидкого металла с механическим воздействием на частицы. Принципиальная схема распыления по этому способу показана на рис. 5. Тонкая струя расплавленного металла вытекает из сопля, окруженного рубашкой, в которую подается вода под давлением около 5 ат. Поток воды увлекает металл на быстро вращающийся диск (около 3000 об/мин) особой конструкции, снабженный специальными насадками для разбивания частиц порошка. Благодаря такому механическому воздействию частицы порошка получаются не гладкой сферической формы, как гранулированная дробь, а с шероховатым профилем. Размер частиц 20—400 мк. Типичный ситовый анализ железного порошка, полученного центробежным распылением, приведен ниже:

Большое распространение получило производство железного порошка распылением по методу Маннесмана (рис. 6). Исходным материалом является стальная стружка (можно с некоторым изменением схемы пользоваться также чугунной стружкой). К стружке добавляют 4% окалины для удаления кремния, 0,5% извести для удаления серы и образования шлака и 8% коксовой пыли. Расплавленную шихту распыляют сжатым воздухом в специальном агрегате с соплом. При этом железо частично окисляется в окалину, а углерод в СО2 и СО. Частицы распыленного металла собираются в водяной ванне. Порошок, содержащий около 6% О2 и 4% С, выгружают из выдвижных приемников, сушат и отжигают при 900° главным образом в «собственной» восстановительной атмосфере, образующейся в результате взаимодействия окислов И углерода, содержащихся в отжигаемом порошке. Во избежание окисления при охлаждении рекомендуется также некоторая подача защитного газа извне. Устройство камеры распыления показано на рис. 7. Сжатый воздух подается в камеру по двум каналам под давлением 4—6 ат. Из камеры воздух выходит с большой скоростью через узкую кольцеобразную щель, имеющую форму сопла Лаваля. Струя металла при 1350° вытекает через корундовое сопло в камеру распыления и разбивается сжатым воздухом.

Механические способы получения порошков

Метод наиболее эффективен, когда в качестве сырья для получения порошка используют отходы производства (обрезки, стружки). Этим способом можно получать порошок любого металла. Однако на практике он в основном используется для превращения в порошок губчатых осадков металлов, полученных электролизом или восстановлением газами, а также для измельчения хрупких металлов и сплавов.

С наибольшей эффективностью методы механического измельчения при-меняются, когда в качестве сырья для размола используются отходы производства (стружка, обрезки, скрап). Однако, иногда механический размол наиболее приемлем, даже если исходное сырьё не является отходами производства. На-пример, получение порошков из хрупких материалов (кремний, бериллий), по-рошков бронзы или легированных сплавов заданного химического состава.

В основе измельчения лежит ударное, скалывающее и истирающее действие так называемых мелющих тел, стенок измельчающих устройств и самой размалываемой массы. При дроблении твердых тел происходят упругие и пла-стические деформации, в процессе которых зарождаются и накапливаются микротрещины, приводящие к образованию новых поверхностей раздела и раз-рушению тел. Размолу легко поддаются хрупкие непластичные материалы
(кремний, марганец, различные тугоплавкие соединения). Значительно хуже поддаются размолу пластичные металлы (медь, цинк), которые при размоле расплющиваются и даже слипаются.

Общая схема получения порошков механическим измельчением обычно состоит из следующих операций:

подготовка шихты, состоящая в предварительном грубом дроблении, по-лучении стружки, приготовлении сечки (малых кусков проволоки);
измельчение шихты в различного вида мельницах;
отжиг порошка для снятия наклёпа.

Для грубого дробления обычно используются щековые, молотковые, ко-нусные и валковые дробилки, которые ничем не отличаются от дробилок, при-меняемых в горнорудной промышленности. Размер частиц, получаемых после грубого дробления составляет 1 – 10 мм.

Окончательный размол и получение металлического порошка проводится в шаровых, вибрационных, вихревых, планетарных мельницах.

Простейшим аппаратом, используемым для получения тонких порошков, является шаровая мельница, которая представляет собой металлический цилин-дрический барабан, внутри которого находятся размольные тела, чаще всего стальные или твердосплавные шары, и измельчаемый материал. При вращении барабана с различной скоростью возможно различное движение шаров и, сле-довательно, несколько режимов измельчения (рисунок 47).

При небольшой скорости вращения барабана происходит скольжение шаров по поверхности вращающегося барабана (рисунок 47, положение 1). В этом случае материал истирается между внешней поверхностью массы шаров, которая ведёт себя как единое целое, и стенкой барабана. Эффективность размола при этом мала. Такой режим часто применяется при смешивании разнородных материалов.

При увеличении числа оборотов барабана шары поднимаются на некоторую высоту вместе с вращающейся стенкой барабана, вследствие трения шаров о стенку, и затем скатываются по наклонной поверхности массы шаров (рисунок 47, положение 2). Измельчение материала в этом случае происходит между поверхностями трущихся шаров. Интенсивность истирания материала увеличи-вается.

При ещё большем числе оборотов шары поднимаются на значительную высоту и падают вниз, производя дробящее действие, которое дополняет исти-рающее воздействие на материал (рисунок 47, положение 3). Это положение является наиболее интенсивным режимом размола.

При дальнейшем увеличении вращения барабана центробежная сила воз-растает, и шары начнут вращаться вместе с барабаном (рисунок 47, положение 4). При этом материал перестаёт измельчатся. Такая скорость вращения называется критической (V_кр).

Рассмотренные выше режимы измельчения характеризуются следующими оборотами барабана:

режим скольжения при 0,2 V_кр;
режим перекатывания при 0,4 – 0,6V_кр;
режим наиболее интенсивного измельчения при 0,75 – 0,8 V_кр.

Приведённые соотношения справедливы при загрузки мельницы размалы-вающими телами в объёме 40 – 50% от объёма мельницы.

Соотношение между истирающим и дробящим действием шаров опреде-ляется отношением диаметра барабана (D) к его длине (L):
– при отношении D/L = 3 – 5 преобладает дробящее действие размольных тел;
– при отношении D/L ≤ 3 – истирающее.

На процесс измельчения большое влияние оказывает общая масса раз-мольных тел. Оптимальным является 1,7 – 2,0 кг. размольных тел на 1 л. объёма барабана мельницы.

Количество загружаемого на размол материала влияет на интенсивность измельчения и должно быть таково, чтобы заполнить объём зазоров между раз-мольными телами. Если материала будет больше, то часть его, не вмещающаяся в зазоры, измельчается менее интенсивно, так как в этом случае она не подвер-гается истирающему действию размольных тел. Кроме этого, уменьшается объём свободного пространства в барабане и затрудняется свободное падение размольных тел, что также снижает интенсивность измельчения. Практически соотношение между массами размольных тел и измельчаемого материала со-ставляет 2,5 – 3.

Чтобы интенсифицировать процесс размола, особенно при измельчении хрупких материалов, его проводят в жидкой среде, которая препятствует рас-пылению материала и обратному слипанию образующихся тонких частиц. Кроме того, проникая в микротрещины, жидкость создаёт большое капиллярное давление, что способствует измельчению. Количество жидкости при размоле должно составлять 0,4 л. на 1 кг. размалываемого материала.
Длительность размола составляет от нескольких часов до нескольких суток.

В порошковой металлургии в большинстве случаев используются шаровые мельницы с периодической загрузкой и разгрузкой. Могут использоваться мельницы с центральной разгрузкой через полую цапфу (рисунок 48, а), с тор-цевой разгрузкой через диафрагму, представляющую собой поперечную решетку, установленную у разгрузочного конца барабана (рисунок 48, б), или с периферической разгрузкой через щели в барабане и окружающее его цилинд-рическое сито (рисунок 48, в). Иногда применяются шаровые мельницы, работающие по замкнутому циклу совместно с классификатором, отделяющим недоизмельчённый продукт после выхода из мельницы и возвращающим его на повторное измельчение.
За последнее время в порошковой металлургии всё чаще стали использо-ваться вибрационные мельницы (рисунок 49), обеспечивающие тонкое измель-чение при минимальной затрате энергии посредством очень частых, но сравни-тельно слабых ударов по частицам материала. При этом возникают ударные, сжимающие и срезывающие усилия переменной величины, приводящие к уста-лостному разрушению частиц.

Дебалансный вал вибратора при вращении вызывает круговые колебания корпуса мельницы, загруженного на 75 – 90% размольными телами и измель-чаемым материалом. Корпус мельницы опирается на пружины, амортизирующие действия инерционных сил. Частота колебаний корпуса соответствует числу оборотов вала, которое составляет 1000 – 3000 об/мин. Размольные тела и измельчаемый материал, получая частые импульсы от стенок корпуса, совершают сложное движение. Под воздействием соударений, вращений и скольжений размольных тел материал интенсивно измельчается. При работе мельницы происходит непрерывная циркуляция размольных тел и измельчаемого материала.
Вибрационные мельницы могут работать периодически и непрерывно. Эффективность размола в них в несколько раз выше, чем в шаровых вращаю-щихся мельницах.

Для тонкого измельчения трудноразмалываемых материалов в настоящее время широко применяют планетарные центробежные мельницы, в которых в качестве размольных тел используются шары (рисунок 50). Основными элементами конструкции мельницы являются корпус-шкив с обоймами, основание и кожух. Корпус-шкив представляет собой сварную конструкцию с центральной осью, вокруг которой расположены шесть гнёзд для подшипников обойм и три для крепления осей промежуточных зубчатых колёс. На концах осей обойм расположены зубчатые колёса, соединенные с промежуточными зубчатыми колёсами, и противовесы, обеспечивающие более равномерное рас-пределение нагрузки на подшипники. Ось корпуса-шкива вставлена в сидение на неподвижном стакане центрального подшипника. На шпонке этого стакана укреплено неподвижное зубчатое колесо. Оси промежуточных зубчатых колёс в корпусе-шкиве закреплены неподвижно. Каждое промежуточное колесо со-единено с зубчатыми колёсами двух соседних обойм и передаёт им вращение от центрального неподвижного колеса.

Разлом материала осуществляется следующим образом. Приводится во вращение корпус-шкив, оси промежуточных зубчатых колес и обоймы. Закреп-лённые в обоймах барабаны вращаются вместе с корпусом-шкивом и одновре-менно вокруг своей оси. Во время вращения масса размольных шаров распола-гается около стенки барабана по сегменту, форма и положение которого не ме-няется во вращении. Кроме того, каждый шар движется по окружности, центром которой является ось барабана. Таким образом сложное движение шаров, сопровождается их перекатыванием, приводит к интенсивному измельчению материала за счет истирания и ударного воздействия сталкивающихся друг с другом шаров и частиц материала. По сравнению с другими шаровыми мельни-цами размол в планетарных центробежных мельницах осуществляется интен-сивней в сотни раз.

Для измельчения в порошок пластичных материалов используются вихревые мельницы, в которых предложен процесс, основанный на том принципе, что разрушающие удары производят сами частицы измельчаемого материала. При этом устраняются обычные загрязнения материалом шаров и стенок мельницы.

Мельница (рисунок 51) состоит из рабочей камеры, в которой расположены пропеллеры или билы, вращающиеся в противоположных направлениях при высоких, но обязательно равных скоростях. При этом создаются два противоположно направленных воздушных или газовых потоков, которые увлекают за собой частицы порошка. Сталкиваясь друг с другом, частицы из-мельчаются. Измельчаемый материал загружают в бункер, откуда он поступает в рабочую камеру, где размалывается. В рабочую камеру насосом также подается под давление воздух или газ, с помощью которого измельченные частицы удаляются в приемную камеру. Скорость воздушного потока регулируется с та-ким расчетом, чтобы из рабочей камеры удалялись частицы определенных раз-меров. В приемной камере крупные частицы оседают на днище и возвращаются вновь в рабочую камеру, где подвергаются повторному измельчению. Мелкие частицы направляются в отсадочную камеру, откуда производится выгрузка.

В результате вихревого измельчения могут получаться очень тонкие и пи-рофорные порошки. В целях предохранения порошка от самовозгорания в ра-бочую камеру вводят инертный газ, к которому добавляют до 5% кислорода для образования на частицах защитных оксидных пленок.

Распыление и грануляция жидких металлов

Распыление и грануляция жидких металлов является одним из наиболее производительных методов получения порошков. Распыление расплава является относительно простым и дешевым технологическим процессом производства порошков металлов с температурой плавления до 1600 ºС.

Сущность измельчения расплавленного металла состоит в дроблении струи расплава газом или водой при определённом давлении (распыление), либо ударами лопаток вращающегося диска (центробежное распыление), либо сливанием струи расплава в жидкую среду, например воду (грануляция).

Принципиально процесс распыления металлической струи потоком газа возможен по нескольким схемам. Распыление может осуществляться потоком газа, соосно обтекающим струю расплава, обтекающим потоком газа, направленным под некоторым углом к оси струи, и газовым потоком, направленным к оси струи под прямым углом.

Наиболее распространено распыление газовым потоком (рисунок 52), при котором на свободно истекающую струю металлического расплава направлен под углом 60º к её оси кольцевой газовый поток, создаваемый соплами, охваты-вающими струю металла. В месте схождения всех струй газового потока про-исходит разрушение струи расплава в результате отрыва от неё отдельных капель.
Механизм разрушения струи металла очень сложен и полностью ещё не изучен. На размер и форму образующихся частиц влияют мощность и темпера-тура газового потока, диаметр струи, температура, поверхностное натяжение и вязкость расплава. Кроме того, большое влияние оказывает конструкция фор-суночного устройства. Например, установлено, что размер образующихся частиц уменьшается с повышением скорости истечения газа – энергоносителя из форсунки с расширяющимся соплом или при повышении давления дутья в фор-суночных устройствах с сужающимся соплом.

При повышении температуры дутья возрастает кинетическая энергия га-зового потока, что способствует дроблению струи расплава на мелкие частицы. Наиболее эффективно распыление при температуре газового потока, совпа-дающей с температурой расплава, так как вязкость и поверхностное натяжение при этом не претерпевают изменений в процессе дробления струи из-за отсут-ствия переохлаждения расплава. Однако создать такие условия при распылении расплавов, имеющих высокую температуру плавления (1500 – 1700 ºС), очень сложно из-за трудностей нагрева газового дутья и значительного усложнения и удорожания распылительных установок.

На размер частиц, получаемого порошка, влияет и диаметр струи расплава. Увеличение диаметра струи приводит к снижению количества мелких частиц в порошке, что связано с возрастанием массы расплава, поступающего в зону распыления в единицу времени. На практике, для расплавов с температурой плавления до 1000 ºС диаметр струи выбирают в пределах 5 – 6 мм, с тем-пературой плавления до 1300 ºС – 6 – 8 мм и при более высокой температуре плавления – 8 – 9 мм.

При заливке в металлоприёмник расплав должен иметь температуру на 150 – 200 ºС выше температуры его плавления, что обеспечивает стабильное истечение струи, так как понижение температуры расплава в металлоприёмнике приводит к повышению его вязкости и поверхностного натяжения, в результате чего снижается выход мелких фракций порошка. В современных установках распыления металлоприёмники выполняются с обогревом, позволяя поддержи-вать оптимальную температуру струи расплава.
Распыление струи расплава водой широко применяют в промышленности. Этот процесс отличается от распыления расплавов газом более высокой плотностью воды, что влияет на увеличение импульса и кинетической энергии потока воды. Высокая плотность воды обеспечивает также сохранение высоких скоростей энергоносителя на больших расстояниях от среза сопла, чем в случаях использования газовых потоков. Это позволяет в широких пределах изменять взаимное расположение струй расплава и воды, облегчая конструирование устройств для распыления.

Кроме того, при контакте водяной струи с расплавом неизбежен процесс интенсивного парообразования как вокруг струи расплава, так и вокруг каждой распылённой частицы. По этой причине распыление струи расплава осуществляется фактически не водой, а перегретым сжатым паром, образующимся в зоне контакта поверхностей воды и расплава.

В установках с центробежным распылением струя металла разрушается ударами лопаток вращающегося диска (рисунок 53).
Образующийся порошок вместе с водой, подаваемой под определенным давлением и по специальной кольцевой трубке, создающей из воды форму во-ронки, внутри которой находится струя жидкого металла, поступает в приёмник. Воронкообразное оформление водяного узла установки позволяет предохранить струю жидкого металла от преждевременного разрушения (грануляции) водой.
Величина частиц порошка зависит от числа ударов лопаток о струю, удельной подачи металла в камеру распыления и вязкости расплава. Изменяя число оборотов крыльчатки, которое может достигать 4000 об/мин, регулируют набор частиц в порошке по размерам.

Грануляция, как способ измельчения жидких металлов, издавна применяется для изготовления свинцовой дроби. При грануляции струю расплава сливают в воду, получая грубые порошки с размером частиц 0,5 – 1,0 мм и выше. Более мелкие фракции можно получать, если применять интенсивное размельчение струи расплава при помощи движущейся конвейерной ленты с последующим охлаждением капель металла в воде.

В любом из рассмотренных вариантов распыления порошок содержит обычно кислород в виде оксидов. Поэтому порошки, полученные распылением, подвергаются восстановительному отжигу, целью которого является не только восстановление оксидов, но улучшение технологических свойств порошка (прессуемость, спекаемость и т.д.).

В настоящее время все шире используются методы бесконтактного распыления с использованием мощных импульсов тока, когда через твердый (в виде проволоки) или жидкий проводник (распыляемый материал) пропускается мощный импульс тока, и проводник мгновенно нагревается и распыляется, или воздействием электромагнитных полей, когда при пропускании электрического тока по струе расплава распыление осуществляется в виде взрыва проволок.

Обработка металлов резанием

Производство порошков обработкой металлов резанием на практике используются очень редко. Порошки получают при станочной обработке ком-пактных металлов, подбирая такой режим резания, который обеспечивает обра-зование частиц, а не сливной стружки.

При этом образующиеся отходы в виде крупной стружки целесообразно использовать для дальнейшего измельчения в шаровых, вихревых и других аппаратах, а мелкую стружку и опилки с величиной частиц порошка около 1 мм можно использовать для изготовления изделий без дополнительного дробления. В некоторых случаях применение этого метода для получения порошка является почти единственным. Прежде всего, это относится к тем металлам, которые очень активны по отношению к кислороду, особенно в состоянии высокой дисперсности. Например, по этому способу получают магниевый порошок.

Производство порошков

Технологический процесс производства изделий методом порошковой металлургии начинается с получения металлических порошков. Известно большое количество методов получения порошков.

Разнообразие применяемых методов объясняется тем, что качественные характеристики порошков и изделий в значительной степени определяются методом изготовления порошков. Порошок одного и того же металла в зависимости от метода производства резко изменяет некоторые из свойств, определяющих применимость его для той или иной цели.

Свойства порошков

В практике металлические порошки характеризуются по следующим свойствам:

физическим;
химическим;
технологическим.

Физические свойства порошков

К физическим свойствам порошков обычно относят преобладающую форму частиц и гранулометрический состав порошка. Форма частиц в основном зависит от способа получения и может быть сферической, губчатой, осколочной, дендритной, тарельчатой, чешуйчатой. Форма частиц оказывает влияние на плотность, прочность и однородность прессовки. Наибольшую прочность прессовок дают частицы дендритной формы. В этом случае упрочнение порошков при прессовании вызывается действием сил сцепления, заклиниванием частиц, переплетением выступов и ответвлением.

Размер частиц порошков, получаемых различными методами колеблется от долей микрометра до долей миллиметра. Для получения прочной прессовки необходим порошок с определенными размерами частиц и набором их по крупности. В практике никогда не встречаются металлические порошки с частицами одной крупности.

Гранулометрический состав порошка представляет собой относительное содержание фракций частиц различной крупности. В сочетании с другими свойствами он влияет на удельное давление при прессовании, необходимое для достижения заданных механических свойств спечённых изделий.

Химические свойства порошков

К химическим свойствам порошков относят в первую очередь содержание основного металла, примесей и загрязнений. На химические свойства влияет также содержание газов в связанном, адсорбированном или растворенном состоянии. Содержание основного металла в порошках бывает не ниже 98 – 99%, и такая чистота порошковых металлов для большинства спеченных изделий является удовлетворительной.

Вредными примесями для железного порошка являются примеси кремнезёма, оксидов алюминия и марганца. Эти примеси затрудняют прессование порошков, увеличивают износ прессформ.

Присутствие в порошках значительного количества газов (кислород, водород, азот и др.), адсорбированных на поверхности частиц, а также попавших внутрь частиц в процессе изготовления и в результате разложения при нагреве загрязнений увеличивает хрупкость порошков, затрудняет прессование, а интенсивное выделение их при спекании может привести к короблению изделий. Поэтому порошки иногда подвергают вакуумной обработке для отгонки газов.

Технологические свойства порошков

Под технологическими свойствами порошков понимают:

насыпная масса порошка;
текучесть;
прессуемость.

Насыпная масса порошка

Насыпная масса порошка – это масса единицы его объёма при свободной насыпке. Она определяется плотностью материала порошка, размером и формой его частиц, плотностью укладки частиц и состоянием их поверхности. Например, сферические порошки с гладкой поверхностью обеспечивают более высокую насыпную плотность.

Текучесть порошка

Текучесть порошка – это способность перемещаться под действием силы тяжести. Она оценивается временем истечения определённой навески (50 г) через калиброванное отверстие (диаметр 2,5 мм). Текучесть зависит от плотности материала, гранулометрического состава, формы и состояния поверхности частиц и влияет на производительность автоматических прессов при прессовании, так как она определяет время заполнения порошком пресс-формы. Текучесть ухудшается при увлажнении порошка, увеличении его удельной поверхности и доли мелкой фракции.

Прессуемость порошка

Прессуемость порошка – это способность порошка под влиянием внешнего усилия приобретать и удерживать определённую форму и размеры.

Порошки одного и того же химического состава, но с разными физическими характеристиками могут обладать различными технологическими свойствами, что влияет на условия дальнейшего превращения порошков в готовые изделия.
Поэтому физические, химические и технологические свойства порошков находятся в непосредственной зависимости от метода получения порошка.

Но не только качественные характеристики порошка лежат в основе выбора способа получения порошков. Очень важными при оценке метода производства порошков являются вопросы экономики – себестоимость порошка, размер капиталовложений, стоимость переработки порошка в изделия.

Все это вызвало необходимость разработки и промышленного освоения большого числа различных способов производства порошков.

Cпособы получения порошков

Все способы получения порошков, которые встречаются в современной практике, можно разделить на две группы:

механические способы;
физико-химические.

Механические способы получения порошков

Механическими способами получения порошков считаются такие технологические процессы, при которых исходный материал в результате воздействия внешних сил измельчается без изменения химического состава.

Физико-химические способы

К физико-химическим способам относят такие технологические процессы, в которых получение порошка связано с изменением химического состава исходного сырья в результате глубоких физико-химических превращений. При этом конечный продукт (порошок), как правило, отличается от исходного материала по химическому составу.

Металлический порошок: производство, виды, сферы использования

Металлический порошок – это продукт порошковой металлургии, который необходим для изготовления некоторых деталей или формирования защитных покрытий. Несмотря на то что эта отрасль появилась еще в начале XX века, она продолжает развиваться и применять современные технологии.

Качество металлического порошка определяют его свойства и процесс изготовления. В нашей статье мы расскажем, как производят порошки из металла, какие требования к ним предъявляют, и поговорим о сфере применения этого материала.

Основные свойства металлического порошка

При изготовлении порошков из металла их наделяют определенными физическими, химическими и технологическими свойствами.

Химические свойства

В составе металлических порошков всегда есть газы (водород, азот и др.), которые, абсорбируясь с поверхности, попадают в сырье. В электролитических порошках присутствует водород, в карбонильных — смесь диоксида углерода с кислородом, в распыленных — газообразные продукты, выделяемые при производстве.

Готовые порошки прессуют, но перед этим из них удаляют излишки газов путем вакуумирования. Если этого не сделать, то в дальнейшем в изделиях при спекании будут образовываться трещины.

Физические свойства

Определяются размерами, формой, плотностью частиц и другими параметрами. Для каждого способа производства металлического порошка характерна определенная их форма:

при карбонильной технологии – круглая;
при восстановительной – губчатая;
при дроблении мельницей – осколочная;
при вихревом измельчении – тарельчатая;
при распылении – каплевидная;
при электролизе – дендритная.

Размеры частиц порошка могут быть от долей микрометра до десятых долей миллиметра. Наибольшей разнокалиберностью отличаются порошки, произведенные по восстановительной методике или электролизом.

Плотность материала определяют с помощью специального прибора — пикнометра. Она зависит от наличия дефектов кристаллической решетки и от примесей, которые могут встречаться в закрытых порах.

В порошке могут находиться различные добавки, характеристики которых определяют микротвердость материала. В прямой зависимости от этого показателя находится степень возможного деформирования частиц порошка.

Технологические свойства

Наиболее важными свойствами являются насыпная плотность, текучесть, прессуемость и формуемость материала.

Текучесть — это скорость, при которой порошок заполняет условную единицу объема. От этого свойства зависит производительность при прессовании.

Когда порошок прессуют, он приобретает определенную плотность. Это свойство и называют прессуемостью. Формуемость — способность порошка сохранять заданную форму.

Плюсы и минусы порошка из металла

Способ получения деталей из металлического порошка очень популярен, поскольку имеет массу преимуществ, например:

невысокая стоимость изделий;
отличные физико-механические свойства;
возможность изготавливать крупные детали со сложными поверхностями;

Однако применение порошков в металлургии имеет и недостатки:

Структура материала имеет относительно небольшую плотность.
Материал не отличается высокой прочностью.
Если технология производства нарушена, то изделия получаются невысокого качества.
Необходимо использование специального оборудования.

В настоящее время производство деталей из металлического порошка очень распространено в различных отраслях. Идет работа над улучшением качества изделий.

Методы получения металлического порошка

Методики получения разных видов металлического порошка отличаются большим разнообразием, поэтому и изделия из них имеют широкий разброс по свойствам и стоимости. Выделяется два основных вида производства:

Физико-механический (сырье перерабатывают методом помола, резки, направленного распыления, а также дробления на фракции и грануляции). Химический состав при этом остается без изменений.
Химико-металлургический (материал подвергают восстановлению оксидами, а также процедурам электролиза и термической диссоциации). Химический состав и агрегатное состояние сырья становятся другими.

Подробнее разберем нюансы указанных технологий.

Физико-механическая обработка сырья

Размеры частиц металлических порошков зависят от степени измельчения твердого сырья, то есть его разрушения путем истирания, дробления и размола.

Механическое измельчение — удобный и экономически выгодный способ обработки хрупких материалов, таких как сурьма, марганец, хром. В случае вязких металлов, например меди, сырье представляет собой стружки, обрезки и прочие отходы.

Сырье сжимают и подвергают ударной нагрузке. Если необходимо тонко измельчить материал, то его срезают слоями. Грубое измельчение производится с помощью дробилок — конусных, щековых, валковых. Финишная обработка происходит в различных мельницах: вибрационных, центробежных, вихревых и др.

Жидкие металлы измельчают методами распыления и грануляции. Это довольно простой способ изготовления порошков из железа и легкоплавких металлов, таких как медь, алюминий, цинк, свинец. Расплавленная струя металла дробится с помощью целенаправленного распыления, обработки жидкостью или энергонасыщенным газом. Еще один способ — сливание расплавленного металла в воду или иную жидкость. Распыленные частицы имеют разную форму — шаровидную, каплевидную и др.

Восстановление посредством химико-металлургических технологий

Сырье, имеющее в составе неметаллические компоненты (остатки солей, кислород, хлор), соединяют с восстановителем, например, углеродом, водородом, кадмием. В результате металл восстанавливается из оксидов.

При получении порошка из меди, никеля и кобальта в качестве сырья применяют различные их оксиды и окалину от проката. Восстановительный процесс занимает около 3 часов и проходит в муфельных и трубчатых печах с использованием газов: водорода, аммиака после диссоциации, специально подготовленного природного газа. В результате металл приобретает губчатую структуру, и его легко растереть в порошок.

Электролиз — выгодный способ получения медного порошка высокой чистоты. Водный раствор или расплавленную соль меди подвергают воздействию электротока. В итоге на катодном элементе оседают металлические частицы различных форм и размеров. Габариты этих частиц зависят от плотности электрического тока, а также наличия в сырье коллоидов и поверхностно-активных веществ.

Порошки из железа, никеля, вольфрама, кобальта и некоторых других металлов изготавливают карбонильным методом. Из сырья получают соединения с оксидом углерода — карбонилы, которые разлагаются при нагревании.

Формование металлического порошка

Формование необходимо для придания заготовкам из порошков нужной формы и размера, а также обеспечения необходимых плотности и механической прочности. Процедура включает несколько операций:

Отжиг, благодаря которому материал становится более пластичным и лучше прессуется.
Классификация. С помощью воздушных сепараторов, а также различных сит частицы порошка разделяют по размерам.
Получение смеси. Различные металлические порошки соединяют в смесителях или шаровых мельницах и создают однородные составы.
Дозирование. В зависимости от массы или объема отделяют порции порошковой смеси.
Непосредственно формование. Порошки прессуют в пресс-форме либо одним из способов: динамическим, мундштучным, изостатическим. Также применяют прокатку или шликерное формование.

Дополнительные операции

При производстве изделий их металлических порошков с целью улучшения их физико-химических и механических показателей, а также увеличения точности и чистоты поверхности осуществляют дополнительные манипуляции. К их числу относятся пропитка маслами и жидкими металлами, нитроцементация, калибрование, диффузионное хромирование, механическое воздействие, термическая и химическая обработка.

Сферы применения металлического порошка

В зависимости от способа изготовления и свойств металлических порошков из них можно изготавливать детали различного назначения и необходимых параметров.

Благодаря технологии порошковой металлургии специалисты получают современные композитные материалы, изготовление которых с помощью других методик невозможно. Применение металлических порошков при создании элементов различных механизмов и машин экономически очень выгодно, поскольку расход материала при этом минимален.

Изделия из металлокерамики широко используются в радиоэлектронике, приборо- и машиностроении. С помощью порошковой металлургии можно изготавливать сверла, режущие инструменты и др.

Процесс получения деталей из порошков металла в значительной мере автоматизирован. Технологические операции довольно просты, поэтому к этой работе можно привлекать сотрудников не самой высокой квалификации. Все это обеспечивают низкую себестоимость изделий из металлических порошков.

Порошки нормируются по пористости: если этот показатель не превышен, то изделия обладают хорошей стойкостью к коррозии, особенно когда они созданы стандартным способом.

Как правило, детали, произведенные из металлического порошка, выдерживают большие перепады температуры, поэтому их можно использовать при работе в подобных условиях.

Детали узлов трения

Поскольку структура изделий из металлокерамики имеет высокую пористость, на них могут хорошо удерживаться смазочные материалы.

Благодаря этой способности из порошков можно изготавливать детали, подвергающиеся трению, такие как щетки электродвигателей, подшипники скольжения, направляющие втулки и т. д.

Подшипники, выполненные по порошковой технологии, имеют пористую поверхность, поэтому очень хорошо пропитываются маслами, которые затем попадают на трущиеся элементы оборудования. Эти подшипники называют самосмазывающимися.

Они имеют несколько преимуществ над обычными:

экономичность – расход смазочных материалов снижен;
стойкость к износу;
экономия на материале. Вместо дорогих бронзы и баббита используют железо.

Положительный эффект от пористости изделий из металлокерамики можно усилить, добавив при производстве графит — материал с высокой смазывающей способностью. Подшипники из обогащенного графитом материала не нужно дополнительно смазывать.

Композитные материалы

Порошковая металлургия стала активно развиваться с появлением сложной техники, некоторые детали которой нужно изготавливать из композитов. От обычных сплавов композитные материалы отличаются тем, что сырьем для них служат не только металлы, но и неметаллические включения.

С помощью стандартной выплавки в печах нет возможности создать сплав, например, состоящий из меди и вольфрама. С появлением композитных материалов эта проблема была снята.

Нужный результат получается после смешивания необходимых компонентов, формования заготовки и последующего ее спекания.

Ядерное топливо — по сути, тоже композит.

Твердые сплавы

Твердосплавные детали изготавливают с использованием металлокерамики. Твердость изделий обеспечивается за счет добавления карбидов. Чем больше углерода содержится в металле, тем он тверже.

Также карбидные соединения обеспечивают высокую вязкость металла, при этом порошок не теряет прочность. Детали из металлокерамики применяют там, где требуется их высокая стойкость к изнашиванию. Как правило, это элементы станков для производства листового металла или режущий инструмент.

Контактные материалы

Напыление металлических порошков активно используется в радиотехнике и электронике. С помощью этой технологии производят такие важные элементы, как электрические контакты. Для этой цели подходят ферромагнитные порошки.

Другие сферы применения порошков

Металлические порошки отличаются высокой жаростойкостью, поэтому их используют в тормозных системах. Можно усилить эти свойства, добавив никелевые, хромовые и вольфрамовые присадки.

Благодаря порошковой металлургии есть возможность создавать соединения железа с силикатами. Также металлический порошок является основным компонентом при производстве магнитных деталей.

Изделия из металлокерамики нашли применение в фильтрах для газов и горючих веществ.

Порошковая металлургия — очень перспективная отрасль. Основные задачи сейчас — улучшение качества продукции и уменьшение ее себестоимости. Со временем это позволит изделиям из металлических порошков успешно конкурировать с деталями, произведенными по передовым технологиям.

Читайте также: