Способы получения металлических порошков

Обновлено: 04.10.2024

Производство порошка – первая технологическая операция метода порошковой металлургии. Способы получения порошков весьма разнообразны, что позволяет широко варьировать их свойства. Это, в свою очередь, делает возможным придание изделиям из порошка требуемых физических, механических и других специальных свойств. Кроме того, метод изготовления порошка в значительной мере определяет его качество и себестоимость. 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. Adidas Soldes 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 — это энергия, расходуемая на образование новых поверхностей раздела при разрушении твердого тела ( — происходящее при измельчении приращение поверхности). Слагаемое — часть объема тела, подвергшаяся деформации). При крупном дроблении вновь образующаяся поверхность невелика. Поэтому и расход энергии приблизительно пропорционален объему разрушаемого тела. При тонком измельчении вновь образующаяся поверхность очень велика и >

Рисунок 2 – Схема шаровой мельницы.

Простейший аппарат для измельчения дробленых твердых материалов — шаровая вращающийся мельница, которая представляет собой металлический цилиндрический барабан (Рисунок 2). 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

Рисунок 3 — Схема к расчету критической скорости вращения барабана шаровой мельницы

Рассмотрим поведение единичного размольного тела, например шара (Рисунок 3). Одиночный шар весом Р на поверхности барабана мельницы, вращающегося со скоростью v (м/с), в точке т будет находиться под действием центробежной силы, равной Pv 2 /gR. где g – ускорение силы тяжести, R — внутренний радиус барабана мельницы. При угле подъема , а другая – по касательной и равна Р cos , или (v 2 /gR) = sin = 90 o , шар остается на стенке барабана, то sin 90° = v 2 /gR = 1, или v 2 = gR. При этом число оборотов барабана мельницы n_кр (об/мин), a v = кр.l60, поэтому кр. 2 /60 2 = g D/2 (1) где D — внутренний диаметр барабана мельницы. Отсюда находим, об/мин: n_кр.= 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 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.

а) б) в) г) Рисунок 4 – Схемы движения размольных тел в шаровой вращающейся мельнице.

Возможны несколько режимов измельчения. asics gel nimbus 18 soldes 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 4, 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 4, 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 возмущений с возникновением дисперсных частиц.

Рисунок 5 – Схема центробежного распыления расплава.

Центробежное распыление представляет собой один из основных видов диспергирования расплава. nike air max 90 bleu 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 10 4 °С/сек происходит в атмосфере инертного газа.

Рисунок 6 – Схема диспергирования при автономной подаче жидкого металла

а бРисунок 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 10 4 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 10 6 –10 8 °С/с). В любом случае методы распыления при кристаллизации капли расплава со скоростью более 10 6 °С/с приводят к получению порошков, частицы которых имеют аморфную структуру, придающую им чрезвычайно специфические свойства, позволяющие создавать уникальные материалы для различных отраслей техники.

Физико-химические способы получения порошков

Дадим краткую характеристику некоторым физико-химическим методам получения порошков. 1. Химическое восстановление: а — восстановление происходит из оксидов и других твердых соединений металлов. Этот способ является одним из наиболее распространенных и экономичных способов. В общем случае простейшую реакцию восстановления можно представить как: МеА + Х Ме + ХА ± Q (3) где Ме – любой металл, порошок которого хотят получать; А – неметаллическая составляющая восстанавливаемого соединения МеА (кислород, хлор, фтор, солевой остаток и др.); Х – восстановитель; Q – тепловой эффект реакции. Восстановителями служат газы (водород, конвертированный природный газ и др.), твердый углерод (кокс, сажа и др.) и металлы (натрий, кальций и др.). Исходным сырьем являются окисленные руды, рудные концентраты, отходы и побочные продукты металлургического производства (например, прокатная окалина), а также различные химические соединения металлов. Таким путем получают порошки Fe, Cu, Ni, Co, W, Mo, Ti, Ta, Zr, U и других металлов и их сплавов, а также соединений с неметаллами (карбиды, бориды и др.) б — химическое восстановление различных соединений металлов из водных растворов. Этот способ также является одним из самых экономичных способов, позволяющий получать высококачественные металлические порошки. Восстановитель – водород или оксид углерода. Исходное сырье – сернокислые или аммиачные растворы солей соответствующих металлов. В качестве примера применения этого метода рассмотрим получение порошка меди. Медь может быть выделена восстановлением водородом как из кислых, так и щелочных растворов. Обычно используют раствор сульфата меди или медноаммиачной комплексной соли; реакции восстановления имеют вид: CuSO₄ + Н₂ = Cu + H₂SO₄ (4) [Cu(NH₃)₄]SO₄ + Н₂ + 2Н₂O = Cu +(NH₄)₂SO₄ + 2NH₄OH (5) Восстановление проводят при суммарном давлении газа 2,4–3,5 или 3,5–4,5 МПа и температуре 140–170 или 180–200 о С, соответственно. Извлечение меди в осадок составляет около 99%. Скорость процесса восстановления возрастает с увеличением количество суспендированной меди. Химическая чистота порошков, полученных таким способом, высокая (99,7–99,9%Cu, 2, <0,01%Fe), а себестоимость меньше себестоимости электролитических порошков меди. Форма частиц может быть самой разнообразной: дендритной, округлой и др. Таким путем получают порошки Cu, Ni, Co, Ag, Au. nike air max 90 в — химическое восстановление газообразных соединений металлов. Порошки металлов высокой чистоты можно получить из низкокипящих хлоридов и фторидов вольфрама, молибдена, рения, ниобия или тантала по реакции: МеГ_х+ 0,5хН₂ = Ме + хНГ (6) где Г – хлор или фтор. Для получения высокодисперсных порошков металлов или их соединений (карбидов, нитридов и др.) перспективны плазмохимические методы. Восстановителем служит водород или углеводороды и конвертированный природный газ. Низкотемпературную (4000–10000°С) плазму создают в плазмотроне электрической дугой высокой интенсивности, через которую пропускают какой-либо газ или смесь газов. В плазменной восстановительной струе происходит превращение исходных материалов в конденсированную дисперсную фазу. Метод используется для получения порошков тугоплавких металлов W, Mo, Ni. 2. Электролиз водных растворов или расплавленных солей различных металлов. На катоде под действием электрического тока осаждают из водных растворов или расплавов солей чистые порошки практически любых металлов. Стоимость порошков высока из-за больших затрат электроэнергии и сравнительно низкой производительности электролизеров. Таким путем получают из водных растворов – порошки Cu, Ni, Fe, Ag, а из расплавленных сред – порошки Ta, Ti, Zr, Fe. 3. Диссоциация карбонилов. Карбонилами называют соединения элементов с СО общей формулы Ме_а(СО)_с. Карбонилы являются легколетучими, образуются при сравнительно небольших температурах и при нагревании легко разлагаются. В промышленных масштабах диссоциацией карбонилов производят порошки Ni, Fe, Со, Сr, Мо, W и некоторых металлов платиновой группы. Схематически карбонил — процесс идет по схеме: Me_aб_b + сСО —> bБ + Ме_a(СО)_c (7) Ме_a(СО)_{c —>} аМе + сСО (8) В первой фазе по реакции (7) исходное сырье Ме_аБ_b, содержащее металл Me в соединении с балластным веществом Б, взаимодействует с СО, образуя промежуточный продукт (карбонил). Во второй фазе карбонил металла при нагреве разлагается по реакции (8) на металл и СО. Реакция (7) образования карбонила идет везде, где СО соприкасается с поверхностью металла в исходном сырье: снаружи твердого тела, в его трещинах и порах. В некоторых случаях возможно образование нескольких карбонилов. Термическая диссоциация карбонила на металл и СО в большинстве случаев наступает при невысокой температуре. В первый момент появляются атомы металла и газообразные молекулы СО. Частицы порошка формируются в результате кристаллизации парообразного металла в два этапа: сначала образуются зародыши, а затем из них вырастают собственно порошинки различной формы, что является результатом адсорбции паров металла на поверхности каждого из зародышей. Расширение производства карбонильных порошков существенно сдерживается их высокой стоимостью, так как они в десятки раз дороже восстановленных порошков аналогичных металлов. 4. Термодиффузионное насыщение. Чередующиеся слои или смесь порошков разнородных металлов нагревают до температуры, обеспечивающей их активное взаимодействие. Получают порошки латуни, сплавов на основе хрома, высоколегированных сталей. 5. Испарение и конденсация. Для получения порошка металл испаряют и затем конденсируют его пары на холодной поверхности. Порошок является тонкодисперсным, но содержит большое количество оксидов. Получают порошки Zn, Cd и других металлов с невысокой температурой испарения. 6. air max griffey Межкристаллитная коррозия. В компактном (литом) металле или сплаве при помощи химического травителя разрушают межкристаллитные прослойки.

Способы 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.

Читайте также: