Решение. Технологический процесс производства изделий методом порошковой металлургии начинается с получения металлических 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.

В практике металлические порошки характеризуются по следующим

свойствам:

– физическим;

– химическим;

– технологическим.

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.

К физико-механическим способам получения порошков относят:

– дробление и размол;

– распыление расплавленного металла;

– грануляция;

– обработка металлов резанием.

Дробление и размол.

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 применяются, 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. Например, получение порошков из хрупких материалов (кремний, бериллий), порошков бронзы или легированных сплавов заданного химического состава.

Общая схема получения порошков механическим измельчением обычно

состоит из следующих операций:

– подготовка шихты, состоящая в предварительном грубом дроблении, получении стружки, приготовлении сечки (малых кусков проволоки);

– измельчение шихты в различного вида мельницах;

– отжиг порошка для снятия наклёпа.

Для грубого дробления обычно используются щековые, молотковые, конусные и валковые дробилки, которые ничем не отличаются от дробилок, применяемых 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.

Шаровая мельница (рис. 1) состоит из стального барабана 1, в который загружаются размалывающие шары (стальные, чугунные или изготовленные из твердых сплавов) и обрабатываемый материал 2. Коэффициент заполнения барабана шихтой и шарами составляет 0,4...0,5. Чтобы интенсифицировать процесс размола, особенно при измельчении

хрупких материалов, его проводят в жидкой среде, которая препятствует распылению 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.

За последнее время в порошковой металлургии всё чаще стали использоваться вибрационные мельницы (рисунок 2), обеспечивающие тонкое измельчение при минимальной затрате энергии посредством очень частых, но сравнительно слабых ударов по частицам материала. При этом возникают ударные, сжимающие и срезывающие усилия переменной величины, приводящие к усталостному разрушению частиц. Вибрационные мельницы могут работать периодически и непрерывно.

Эффективность размола в них в несколько раз выше, чем в шаровых вращающихся мельницах.

Для тонкого измельчения трудноразмалываемых материалов в настоящее

время широко применяют планетарные центробежные мельницы, в которых в

качестве размольных тел используются шары (рисунок 3).

1 – корпус-шкив с обоймами; 2 – основание; 3 – кожух

 

Рисунок 3 – Схема планетарной центробежной мельницы

 

Разлом материала осуществляется следующим образом. Приводится во вращение корпус-шкив, оси промежуточных зубчатых колес и обоймы. Закреплённые в обоймах барабаны вращаются вместе с корпусом-шкивом и одновременно вокруг своей оси. Во время вращения масса размольных шаров располагается около стенки барабана по сегменту, форма и положение которого не меняется 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 мельницами размол в планетарных центробежных мельницах осуществляется интенсивней в сотни раз.

Для измельчения в порошок пластичных материалов используются вихревые (рис.4) 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.

 

 

1 – рабочая камера; 2 – пропеллеры; 3 – насос; 4 – отсадочная камера; 5 –

приемная камера; 6 – бункер

 

Рисунок 4 – Схема вихревой мельницы.

 

В результате вихревого измельчения могут получаться очень тонкие и пирофорные порошки. В целях предохранения порошка от самовозгорания в рабочую камеру вводят инертный газ, к которому добавляют до 5% кислорода для

образования на частицах защитных оксидных пленок.

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 5), при

котором на свободно истекающую струю металлического расплава направлен под

углом 60º к её оси кольцевой газовый поток, создаваемый соплами, охватывающими струю металла. В месте схождения всех струй газового потока происходит разрушение струи расплава в результате отрыва от неё отдельных капель.

 

 

а – схема получения порошка; 1 – металлоприемник; 2 – форсуночное

устройство; 3 – экран; 4 – вода; 5 – контейнер; б – схема форсунки; 1 – сопло; 2

– струя жидкого металла; 3 – струя газа

 

Рисунок 5 – Схема распыления жидкого металла газом.

 

При повышении температуры дутья возрастает кинетическая энергия газового потока, что способствует дроблению струи расплава на мелкие частицы.

Наиболее эффективно распыление при температуре газового потока, совпадающей с температурой расплава, так как вязкость и поверхностное натяжение при этом не претерпевают изменений в процессе дробления струи из-за отсутствия переохлаждения расплава.

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.

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.

В установках с центробежным распылением струя металла разрушается ударами лопаток вращающегося диска (рисунок 6).

 

 

1 – металлоприемник; 2 – вода; 3 – диск с лопатками; 4 – порошок

 

Рисунок 6 – Схема центробежного распыления жидкого металла

 

 

Образующийся порошок вместе с водой, подаваемой под определенным

давлением и по специальной кольцевой трубке, создающей из воды форму воронки, внутри которой находится струя жидкого металла, поступает в приёмник.

Воронкообразное оформление водяного узла установки позволяет предохранить

струю жидкого металла от преждевременного разрушения (грануляции) водой.

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.

Производство порошков обработкой металлов резанием на практике

используются очень редко. Порошки получают при станочной обработке компактных металлов, подбирая такой режим резания, который обеспечивает образование 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.