Шулга Получение и обработка металлов и соединений 2011

Основное преимущество прессованных изделий – это точность их размеров и возможность получения сложных профилей.

1.5. Порошковая металлургия

Порошковая металлургия является одной из основных технологий синтеза материалов путем смешения веществ, а также областью техники, охватывающей процессы получения порошков металлов, сплавов и их смесей с неметаллами и процессы изготовления изделий из них без расплавления.

Порошковая металлургия позволяет изготавливать:

материалы и изделия с такими составами, структурами и свойствами, какие невозможно получить традиционными металлургическими методами (литьем, обработкой давлением, термообработкой);

изделия с обычными составами, структурой и свойствами, но с существенно меньшим расходом материалов и точнее выдержанными размерами.

В настоящее время применяется следующая классификация порошков: грубодисперсные 200–1000 мкм, среднедисперсные10–200 мкм, тонкодисперсные 0,1–10 мкм и ультрадисперсные (УДП, нанопорошки) 10–100 нм. Весьма интенсивно развиваются технологии получения УДП в следующих направлениях: электролиз в двухслойной ванне с вращающимся катодом, распыление расплава (водой высокого давления, сжатым воздухом), восстановление оксидов углеродом или водородом, конденсация из паровой фазы, созданной распылением, в том числе лазерным излучением, термическое разложение соединений (карботермическое восстановление), механическое измельчение, пиролиз в плазме инертных газов и другие технологии.

Порошковая технология применяется для получения конструкционных (композиты, конструкционные керамики, жаропрочные сплавы) и функциональных (керамики для инструмента, антифрикционные детали, фильтры, подшипники и др.) материалов.

Прогресс в области порошковых материалов связан с разработкой новых методов оптимизации фракционного состава порошков и совершенствованием технологии получения и компактирования

11

ультрадисперсных и наноразмерных порошков. Порошковая металлургия с использованием быстрозакаленных порошков позволяет получать однородный и изотропный материал вследствие реализации эффекта высокоскоростного затвердевания и применения последующего горячего изостатического прессования. Металлур-

гия гранул (ПМ ГИП-технология, PM HIP – Powder Metallurgy Hot Isostatic Pressing) представляет перспективное направление в получении изделий сложной формы, например из высоколегированных жаропрочных сталей и сплавов.

Быстрозакаленные сплавы характеризуются высокодисперсной дендритной, микрокристаллической, нанокристаллической или аморфной структурой, высокой однородностью химического состава, формированием аномально-пересыщенных твердых растворов, образованием метастабильных фаз, структурных и фазовых составляющих, что обеспечивает высокий уровень технологических и служебных свойств.

Рассматривается как перспективное применение метода механоактивации (mechanical alloying) для получения заготовок сталей типа MA957 (Fe–14 Cr–0,9 Ti–0,3 Mo–0,1 Al и 0,25 Y2O3, % мас.),

упрочненных высокодисперсными частицами оксидов (дисперсно-

упрочненные (ДУ), Oxide Dispersion Strengthened (ODS) материа-

лы) с использованием быстрозакаленных порошков. MIM-технология (Metal Injection Moulding) представляет собой

современный метод изготовления изделий точной геометрии, сложной формы, переменного состава из быстрозакаленных порошков легированных сталей, сочетающий высокие качество и свойства изделий с высокой производительностью и низкой стоимостью. Эта технология дополняет существующие методы традиционной порошковой металлургии с использованием прессования, спекания, механической обработки и метод литья по выплавляемым моделям. MIM-технология, как и другие методы порошковой металлургии, позволяет конструировать изделия переменного состава. Сущность метода состоит в использовании быстрозакаленных сферических порошков диаметром менее 20 мкм, получаемых распылением расплава, что, в частности, позволяет обеспечить высокую точность заполнения сложных форм при прессовании и, соответственно, точность изготовления изделий.

12

1.6. Модифицирование поверхности изделий

Эксплуатационные характеристики конструкционных материалов, к числу которых относятся коррозионная и эрозионная стойкость, сопротивление разрушению, трению и износу, трещиностойкость и ряд других, определяются состоянием приповерхностных слоев (далее поверхности) конкретных изделий.

Среди широкого круга традиционных технологий модифицирования (обработки) поверхности материалов (химико-термическая, химическая и электрохимическая) все большее значение играют радиационно-пучковые технологии (РПТ). Наиболее продвинутыми в технологическом плане считают: ионно-пучковые; плазменные; ионно-плазменные; т.е. технологии, основанные на использовании концентрированных потоков энергии (КПЭ).

Современные РПТ используют тепловую, кинетическую, электрическую и магнитную составляющие энергии и различные способы ее подвода к мишени: непрерывный, импульсный, импульснопериодический, точечный, линейный, поверхностный, квазиобъемный. В отличие от традиционных технологий обработки поверхности материалов в машиностроении РПТ являются экологически более безопасными и менее энергоемкими.

Модифицирующее действие РПТ может быть осуществлено за счет целого ряда физических процессов: имплантации атомов (ионов) в материал; ионного перемешивания атомов в поверхностном слое; быстрого нагрева и охлаждения поверхностного слоя; распыления или испарения атомов поверхностного слоя; плазмообразования на поверхности мишени; дефектообразования в слое материала; химического взаимодействия атомов мишени со средой или бомбардирующими частицами; осаждения атомов или молекул на поверхности с регулированием эпитаксии; термической и радиаци- онно-стимулированной диффузии различных атомов; термических и структурных напряжений; ударно-волнового воздействия вследствие газодинамического разлета плазмы и пара с поверхности материала. При радиационном модифицировании происходят сложные структурно-фазовые изменения, определяемые параметрами радиационного воздействия, которые обеспечивают эффект модифицирования поверхности.

13

2. УЧЕБНАЯ ЗАДАЧА ДИСЦИПЛИНЫ. ОСНОВНЫЕ МОДУЛИ И ТЕМЫ

Задача дисциплины – выработка у студентов умения выбора или разработки технологии получения и обработки материалов в зависимости от их назначения при решении конкретной материаловедческой проблемы.

Рассмотренные основные современные направления получения и обработки некоторых из наиболее важных металлов и соединений определяют содержание модулей и тем учебной дисциплины.

Модуль 1. Общие схемы получения материалов. Первичная обработка руды.

Тема 1. Материалы, используемые в технике. Основные критерии классификации (по типу химической связи, по структуре, по назначению).

Основные этапы получения чистых металлов. Первичная обработка руды, основные виды руд, минералов (оксидные, силикатные, алюмосиликатные и т.д.), кондиции на руды. Обогащение руды, методы и оборудование.

Тема 2. Вскрытие концентрата. Очистка веществ. Восстановление соединений до элементов, методы металлотермии, карботермии, водородное восстановление. Рафинирование веществ, методы вакуумной дистилляции, зонной перекристаллизации, вакуумной плавки, иодидного рафинирования.

Тема 3. Обработка руды перед обогащением, дробление, измельчение. Оборудование для дробления, измельчения. Грохочение и классификация, назначение и оборудование.

Обогащение, степень обогащения; методы и оборудование. Гравитационное, флотационное, магнитное, электростатическое обогащение, принципы и практические схемы методов обогащения.

Модуль 2. Извлечение, разделение и очистка металлов.

Тема 1. Классификация методов вскрытия минералов. Классификация основных видов металлургических процессов,

гидрометаллургические и пирометаллургические методы. Основные пирометаллургические методы: обжиг, плавка, кон-

вертирование, рафинирование, дистилляция.

14

Тема 2. Применение обжига, плавки, конвертирования. Доменная выплавка чугуна. Основные стадии восстановления

железа и его наулероживания с образованием чугуна. Доменный шлак – состав, основные функции. Обжиг, плавка на штейн при производстве меди, никеля. Состав и свойства штейна и шлака. Плавка на шлак и электромагнитное обогащение при получении титана. Состав и свойства шлака, как основного продукта. Конвертирование при производстве стали, меди, никеля.

Тема 3. Вскрытие минералов хлорированием, фторированием, сульфатацией, вскрытие щелочью, спеканием с известью.

Физико-химические основы методов, пирометаллургические и гидрометаллургические варианты. Селективная конденсация и очистка хлоридов, фторидов. Выщелачивание сульфатизированного спека. Отстаивание, фильтрование, осаждение.

Тема 3. Физико-химические основы ионообменной сорбции. Природа ионообменных смол, особенности формирования структуры. Активная функциональная группа. Фиксированные ионы и противоионы. Катиониты, аниониты. Примеры ионообменных смол, применяемых в металлургии урана. Кинетика ионного обмена, гелевая и пленочная. Диффузионная подвижность ионов. Полная, динамическая, рабочая емкость. Регенерация ионитов. Осо-

бенности работы ионообменного оборудования Тема 4. Экстракция.

Физико-химические основы процесса экстракции. Правило фаз Гиббса при экстракционном равновесии. Изотерма экстракции, коэффициент распределения, извлечение, коэффициент извлечения. Критерии выбора экстрагента для переработки урансодержащих растворов, примеры экстрагентов. Принципиальная схема экстракции. Механизм действия нейтральных и основных экстрагентов, сольватация и ионный обмен. Высаливатели, их роль в процессе экстракции. Кинетика экстракции. Особенности экстракционного оборудования.

Тема 5. Химические транспортные реакции (ХТР). Термодинамика обратимой химической реакции металлов IV, V,

VI групп с галогенсодержащей газовой фазой; зоны синтеза, осаждения. Критерии разделения и очистки металлов методами, использующими ХТР. Кинетика процесса, основные параметры, опреде-

15

ляющие оптимальные условия процесса (ХТР), на примере иодидного рафинирования циркония.

Тема 6. Металлотермия.

Восстановление металлов из соединений: оксидов, хлоридов, фторидов. Термодинамические условия восстановления. Критерии выбора металла-восстановителя. Определение оптимальной температуры, термичность реакции восстановления. Классификация металлотермических способов. Применение вакуума и инертной атмосферы в процессе металлотермии. Примеры промышленного применения металлотермии.

Тема 7. Электролиз растворов и расплавов солей. Электрохимические основы электролиза металлов из растворов

и расплавов солей. Равновесный потенциал электрода, напряжение разложения. Поляризация при электролизе, виды поляризации. Электрический баланс электролизера. Свойства электролита: электропроводность, вязкость, плотность, поверхностное натяжение – влияние добавок и температуры. Промышленное оборудование электролиза. Примеры применения электролиза.

Тема 8. Рафинирование металлов.

Электролитическое рафинирование металлов. Особенности электролитического оборудования и его эксплуатации при электролизе металлов. Переплавка с флюсами. Электрошлаковый переплав стали.

Тема 9. Перегонка металлов в вакууме.

Условия разделения металлов при испарении и конденсации. Ректификация. Оборудование для ректификации.

Модуль 3. Получение заготовок и изделий.

Тема 1. Плавка металлов и сплавов.

Плавка металлов и сплавов индукционным, электродуговым, электроннолучевым, радиационным, нагревом. Плавка нагревом прямым пропусканием электрического тока. Рафинирование при плавке, зонная, электрошлаковая плавка.

Тема 2. Обработка металлов давлением.

Общая схема технологии прокатного производства. Основные виды прокатки и продукции проката. Оборудование прокатных цехов. Производство сварных и бесшовных труб. Технология кузнеч- но-прессового производства. Ковка, штамповка, прессование – ос-

16

новные характеристики, виды операций, оборудование. Влияние ковки и штамповки на строение и физико-механические свойства материала изделия.

Тема 3. Технологии порошковой металлургии.

Получение порошков металлов и сплавов. Основные свойства порошков. Методы и техника получения металлических порошков. Легирование порошковых материалов. Получение быстрозакаленных порошков (гранул). Подготовка порошков к формованию. Отжиг и термопластическая обработка порошков. Фракционирование порошков.

Тема 4. Методы формования порошковых материалов. Прессование порошков: в пресс-форме – одно- и двухстороннее.

Изостатическое прессование: гидро- и газостатическое. Динамическое (импульсное) формование порошков: взрывное, электроимпульсное и др. Шликерное литье; экструзия (мундштучное формование); прокатка порошков; вибрационное уплотнение.

Тема 5. Спекание порошковых прессовок.

Спекание сформованных брикетов. Твердофазное и жидкофазное спекание порошковых прессовок. Механизмы массопереноса.

Модуль 4. Модифицирование поверхности материалов.

Тема 1. Цели модифицирования поверхности. Основные направления модифицирования металлов. Технологии нанесения покрытий и пленок. Технологии изменения приповерхностного слоя материала. Методы изменения элементного и фазового состава приповерхностного слоя.

Термическая и химико-термическая модификация, Электролитическое насыщение поверхностных слоев. Напыление слоев, пленок, покрытий. Химическое и электрохимическое осаждение. Пластическое деформирование поверхностных слоев. Диффузионное насыщение.

Тема 2. Радиационно-пучковые технологии модифицирования материалов (РТММ).

Структурная схема РТММ, методы, регулируемые параметры, технологические задачи. Механизмы модифицирующего действия РТММ. Общее представление об ионно-плазменных видах обработки поверхности. Импульсное модифицирование поверхности.

17

3.ФОРМЫ КОНТРОЛЯ

3.1.Тестовый контроль в соответствии с программой и календарным планом учебной дисциплины.

Перечень заданий, вопросов и вариантов ответов

В данном разделе приведены тестовые задания, включающие вопросы, которые охватывают весь объем учебной дисциплины «Получение и обработка металлов и соединений».

Задание 1

Задание 2

20