Глава 3. Формование порошков
Формование металлического порошка представляет собой технологическую операцию, в результате которой металлический порошок образует тело, имеющее заданные форму, размеры и плотность. Такое порошковое тело называют формовкой. Одной из наиболее распространенных операций формования является прессование порошков в формах. Полученные прессованием формовки часто называют прессовками. В процессе формования под воздействием давления или вибрации происходит консолидация порошковых частиц, в результате которой и формируется требуемая заготовка.
3.1. Подготовка порошков к формованию
Основными операциями при подготовке порошков к формованию являются отжиг, классификация и смешивание. Эти дополнительные операции перед формованием порошков вводятся, прежде всего, потому, что при производстве порошков на специализированных предприятиях невозможно учесть многообразные требования различных потребителей к порошку. Почти всегда у потребителей возникает необходимость в специальных подготовительных операциях для придания порошку определенных химических и физических характеристик, обеспечивающих нужные конечные свойства продукции.
Отжиг
Этот вид тепловой обработки применяется для решения разных задач, в том числе: для повышения однородности химического состава частиц; восстановления оксидов, оставшихся при получении порошка или вновь образовавшихся при окислении; для снятия наклепа с целью повысить пластичность частиц и, соответственно, улучшить прессуемость и формуемость заготовок. В некоторых случаях отжиг проводят для дегазации порошка, уменьшения его пирофорности за счет укрупнения частиц и с другими целями.
Нагрев порошка проводят в защитной среде (вакуум, инертный газ, восстановительная среда) при температуре 0,4-0,6 Тпл металла порошка. Чаще всего отжигают порошки, полученные механическим измельчением твердых материалов, распылением расплавов, электролизом и разложением карбонилов. Такие порошки наиболее наклепаны, содержат много оксидов и растворенных газов. Восстановленные порошки отжигают только тогда, когда требуется повысить чистоту порошка или укрупнить мелкие частицы.
Отжиг проводят в проходных печах. Для более полной очистки порошков от разных примесей часто применяют атмосферы с галогенсодержащими добавками. Так, например, при отжиге железного порошка в восстановительную атмосферу из водорода дополнительно вводят хлористый водород, что позволяет снизить содержание в порошке кремния и марганца. Наличие хлористого водорода способствует образованию легко испаряющихся хлоридов этих металлов.
Классификация
Классификация или рассев порошка на фракции, которые используются либо непосредственно для формования, либо для составления смесей с заданным соотношением размеров частиц. Некоторые фракции могут оказаться непригодными для прямого использования, и могут потребовать дополнительной обработки, например измельчения или, наоборот, укрупнения.
Для классификации порошков чаще всего применяют различные типы сит, основными из которых являются механические сита с электромагнитным или рычажным вибратором. Сетки сит аналогичны тем, которые применяют в ситовом анализе. На рис. 3.1 показано, в качестве примера, трехдечное вибросито, содержащее набор обечаек с рассеивающими поверхностями. Загрузочный и разгрузочный патрубки снабжены резиновыми манжетами для герметичной стыковки.
Рис. 3.1. Вибросито СВ3 0,9: 1 – цилиндрическая обечайка;
2 – нижняя обечайка; 3 – упругие связи; 4 – рама; 5 – двигатель;
6 – вал вибровозбудителя; 7 – манжеты, 8 - разгрузочный патрубок;
9 – рассеивающие поверхности; 10 – загрузочный патрубок
Вибросито выполнено пыленепроницаемым и имеет приспособления для отбора проб из потока порошка в разгрузочных патрубках. Площадь каждого из просеивающих сеток равна 0,56 м2 при наружном диаметре обечаек 900 мм. Частота и амплитуда колебания дек регулируется. Рассев порошка можно вести на четыре фракции. Вибросито укомплектовано просеивающими сетками с размером ячеек 1; 0,315; 0,16; 0,1 и 0,05 мм. Эффективность разделения на фракции зависит от природы материала порошка, формы и размера его частиц. При необходимости очистить порошок от магнитных примесей, вибросита используют совместно с электромагнитными сепараторами. В практике ПМ иногда применяют протирочные сита в тех случаях, когда свободный просев порошка затруднен или протекает медленно. В этих ситах имеется специальное устройство, которое с небольшим усилием давит на порошок и ускоряет его проход через сетку.
Классификацию порошков с размером частиц менее 40 мкм проводят в воздушных классификаторах по принципу осаждения более крупных частиц из несущего газового потока под действием силы тяжести. Эффективными классификаторами являются циклоны-сепараторы. В корпус циклона тангенциально (по касательной к окружности) вводится газовый поток с частицами порошка, который приобретает вращательное движение. Каждая частица находится под действием силы тяжести, центробежной силы и давления газового потока. В результате частицы движутся по спирали и, достигнув стенки корпуса, перемещаются по его конусу к выпускному патрубку. Мелкие частицы, оставшиеся в газовом потоке, направляются в следующий циклон, где процесс повторяется при меньшей скорости газового потока. Изменение скорости потока позволяет регулировать работу таких сепараторов.
В некоторых случаях классификацию порошка проводят в жидкой среде с использованием тех же принципов гравитационного или центробежного разделения частиц. Схема гидравлического классификатора приведена на рис. 3.2.
Порошковая пульпа поступает через патрубок 5 в чан 1. Снизу по трубе 8 в чан подают воду для создания взвешенного слоя оседающих частиц. Крупные частицы из нижней части чана удаляются сифонами 6, работа которых регулируется клапанами 3 и пьезометрическими трубками 2. В начальный момент сифоны 6 приводятся в действие водой, подаваемой через трубки 4. Слив с тонкой фракцией порошка стекает в желоб 7. Полная разгрузка чана производится через штуцеры 9.
Рис. 3.2. Схема гидравлического классификатора: 1 – чан;
2 – пьезометрические трубки; 3 – клапан; 4,8 – трубы для подачи
воды; 5 – патрубок; 6 – сифоны; 7 – желоб; 9 – штуцеры
Приготовление смесей
Одной из важнейших операций при изготовлении порошковых изделий является приготовление смесей. Задача смешивания – превращение совокупности частиц при их начальном произвольном распределении в макрооднородную, гомогенную смесь. В первоначальную совокупность частиц могут входить порошки разного химического состава или разного гранулометрического состава (одного химического состава), а также их разнообразные смеси, в том числе с неметаллическими добавками. Результат и скорость смешивания зависят от формы и величины частиц, гранулометрического состава, числа смешиваемых компонентов, соотношения их плотностей, межчастичного коэффициента трения, способности частиц к агрегации. Кроме того, эффективность смешивания зависит от траектории перемещения частиц и изменения гранулометрического состава в результате раздавливания и истирания частиц при смешивании. Эти факторы определяются конструкцией смесителя.
Смешивание ‑ случайный процесс, поэтому соотношение компонентов в отдельных небольших объемах в различные моменты времени является случайной величиной. В конечный момент смешивания желательно получить такое состояние смеси, при котором все смешиваемые компоненты имели бы равную вероятность нахождения в любом макрообъеме смеси. В учебниках и специальной литературе содержатся формулы для расчета вероятностных характеристик процесса смешивания, однако на практике реальная продолжительность смешивания определяется опытным путем. Практический опыт показывает, что реальная длительность смешивания не должна превышать нескольких часов. Излишнее время смешивания может быть вредным, если при этом происходят нежелательное взаимодействие между компонентами или чрезмерное переизмельчение и окисление порошка. Обычно за оптимальное время смешивания принимают время, при котором 95 % и более проб содержат определяемый компонент в заданном объеме.
Если смешивается большое количество одного компонента с малым количеством другого, то вероятность достижения гомогенного состава смеси уменьшается. В таком случае для достижения более однородного состава рекомендуется применять многоступенчатое смешивание компонент. Сначала компонента, которой мало, смешивается с некоторой частью основной компоненты, а затем полученная смесь смешивается с остатком основной компоненты.
Наиболее распространено механическое смешивание в шаровых мельницах и смесителях различного типа. При смешивании в шаровой вращающейся мельнице качество смеси определяется скоростью вращения барабана, соотношением массы размольных тел и шихты, размерами размольных тел и степенью заполнения ими барабана. Лучшие результаты достигаются при скорости вращения, составляющей 20-40 % от критической, соотношении шихты и шаров по массе 1:1 и диаметре шаров 10 – 15 мм.
В тех случаях, когда измельчение при смешивании нежелательно, используют барабанные, шнековые, лопастные, центробежные, планетарные, конусные смесители и установки непрерывного действия (УНС). Широко применяются двухконусные смесители (рис. 3.3) вместимостью от 200 до 2500 л и производительностью от 50 до 1500 кг/ч при длительности рабочего цикла 1 – 2 ч. Смешивание в шнековых и лопастных смесителях проводят при приготовлении пастообразных смесей или смесей с добавками различных пластифицирующих веществ, улучшающих процесс формования (раствор каучука в бензине, парафин, стеарат цинка и т. п.).
Рис. 3.3. Двухконусный смеситель: 1 – редуктор; 2 – передача;
3 – подшипник; 4 – корпус; 5 – крышка люка; 6 – стойка;
7 – разгрузочный бункер; 8 – тележка для выгружаемого порошка
В нашей стране и за рубежом применяется высокопроизводительный смеситель «Турбула» емкостью 400 л. Рабочий сосуд смесителя вращается в трех плоскостях одновременно, создавая вихревое кружение находящихся в нем компонентов. Это создает попеременное ускорение и замедление частиц порошка, что способствует быстрому и качественному перемешиванию. Обычно перемешивание 300-500 кг шихты длится 5-10 мин.
В жидкой среде смешивание происходит гораздо интенсивнее, чем в газовой. Это объясняется более высокой подвижностью частиц в жидкости и уменьшением силы электрического притяжения между частицами. Кроме того, в тонких щелях частиц капиллярные силы создают повышенное давление, которое разъединяет соединенные в агрегаты частицы. Жидкость препятствует пылению, что также способствует процессу получения однородной смеси. Тем не менее, применение мокрого смешивания не всегда оправдано как по экономическим, так и по техническим соображениям. Например, использование воды как среды при смешивании влечет за собой возможное дополнительное окисление порошка и потребность в проведении дополнительного восстановительного отжига. Использование вместо воды спирта значительно удорожает технологию.
В отдельных случаях, например при получении дисперсно-упрочненных материалов, применяют химические методы смешивания. Одним из таких методов является смешивание растворов солей соответствующих металлов с последующей кристаллизацией упариванием объединенного раствора. Химическое смешивание обеспечивает высокую равномерность распределения компонентов, однако широкого распространения не получило по причине того, что зачастую не удается подобрать соответствующие растворы соединений требуемых металлов. Кроме того, химическое смешивание делает обязательным применение сушки, что усложняет и удорожает технологию.
Результаты смешивания контролируют по физико-технологическим свойствам шихты и химическим анализом проб.
Контрольные вопросы:
1. Назовите основные операции подготовки порошков к формованию.
2. Для чего проводится отжиг порошков?
3. Классификация порошков и применяемое оборудование.
4. Для чего смешивают порошки, и какие компоненты входят в состав смесей?
5. Какие факторы влияют на гомогенность смеси?
6. Назовите основные типы смесителей и охарактеризуйте принципы их работы.
7. Химический метод смешивания порошков.