Основы порошковой металлургии
Для удовлетворения требований развивающейся техники необходимы материалы, обладающие очень высокой твердостью, износостойкостью, жаропрочностью, жаростойкостью и другими исключительными свойствами. Создать такие материалы можно только на основе сплавов, так как у отдельных материалов сочетание таких свойств, как правило не встречается. Например, химическое соединение вольфрама с углеродом - карбид вольфрама имеет высокую твердость, износостойкость и жаропрочность, но повышенную хрупкость. Хорошей вязкостью обладает кобальт. Температура плавления карбида вольфрама 28780С, а кобальта 14000С. Обычными методами создать сплавWC-Coнельзя. Такие сплавы получают методом порошковой металлургии. Образующиеся сплавы называютметаллокерамическими. Так были получены твердые металлокерамические материалы для обработки металлов резанием, для бурения горных пород, которые произвели существенные изменения в этих областях.
Порошковая металлургия позволяет создавать сплавы любого состава из металлических или смеси металлических и неметаллических порошков, которые практически взаимно не растворяются при плавлении или могут разлагаться при высоких температурах. Например, железо и свинец, алюминий и никель, медь и графит, металлы и оксиды, металлы и бориды и др. Методом порошковой металлургии можно получать сплавы с заранее заданными свойствами. Использование этого метода обеспечивает значительное снижение потерь металла.
Производство изделий из вольфрама и тантала, которые обладают высокой температурой плавления, осуществляется преимущественно методами порошковой металлургии. Порошковая металлургия позволяет изготовить некоторые конструкционные детали (кулачки, втулки и др.) без последующей механической обработки.
Изделия из металлокерамических сплавов нашли применение для металлорежущего инструмента, для волок и фильер при производстве проволоки, для подшипников скольжения и тормозных устройств, для металлических фильтров, для постоянных магнитов, электрощеток, электроконтактов, нагревателей электропечей и др.
К недостаткам порошковой металлургии следует отнести высокую стоимость металлических порошков, значительные расходы на изготовление пресс-форм и другой оснастки, низкие показатели вязкости и пластичности.
Способы производства металлических порошков
Существуют следующие основные способы получения металлических порошков: восстановление металлов из их оксидов или солей; электролитическое осаждение; распыление струи расплавленного металла; термическая диссоциация; механическое дробление.
Способ восстановленияметаллов наиболее распространен. Процесс восстановления может быть представлен следующим уравнением:
MeOn + mX = Me + XmOn,
где MeO- оксид металла;Х - восстановитель;n и m - стехиометрические коэффициенты.
Оксиды и соли металлов получаются при переработке рудных ископаемых. Восстановителями служат газы (водород, природный газ и др.). Для получения чистых металлических порошков используют водород. При восстановления металлов газом или твердым веществом, содержащим углерод, одновременно с восстановлением происходит науглероживание, и порошок получается загрязненный карбидами. Для получения железного порошка технической чистоты с содержанием железа до 98.5% используют следующий метод. В тигли последовательно слоями загружают измельченную железную руду и термоштыб (отходы при добыче каменного угля). Закрытые тигли поступают в туннельную печь, где поддерживается температура 1150 - 12000С. При прохождении через печь происходит восстановление железа, которое затем очищается от остатков восстановителя, пустой породы и подвергается механическому дроблению.
Способом восстановления получают порошки из любых металлов, в том числе и тугоплавких (железо, вольфрам, тантал, титан и др.).
Способом электролитического осажденияможно получить порошки почти всех металлов. При электролизе из раствора на катоде получается осадок в виде плотного или рыхлого слоя, чешуек, кристаллов. Качество осадка зависит от плотности тока, температуры и концентрации электролита. Осадок счищается с катода и измельчается в порошок механическим путем. Рыхлые осадки в процессе электролиза осыпаются с катода на дно ванны и последующего дробления не требуют. Получающиеся порошки характеризуются высокой чистотой и сравнительно большой стоимостью В процессе электролиза порошок адсорбирует водород, в результате чего повышается хрупкость металла, для устранения которой производят отжиг порошка в нейтральной среде или в вакууме.
Способ получения порошков путем распыления струи расплавленного металла(рис.29) используют главным образом для легкоплавких металлов (олово, свинец, цинк, алюминий, медь), а также для получения порошков железа, никеля и других металлов с температурой плавления около 15000С. Этот способ достаточно производителен. Недостаток способа — возможность окисления частиц порошка. Во избежание этого рекомендуется восстановительная или инертная среда.
Рис.29. Схема получения порошка распылением струи расплавленного
металла: 1-жидкий металл, 2-трубопровод для сжатого воздуха, 3-охлаждающая вода, 4-порошок
При термической диссоциациииспользуют летучие химические соединения — карбонилы, иодиды, галоиды и др. Для получения порошков железа применяют карбонилы, которые образуются при воздействии на железо оксида углерода при давлении 18—20 мПа и температуре около 2000С:
Fe + 5CO = Fe(CO)5.
Kарбонил выводят из реакции и нагревают до температуры 350 - 500 0С при атмосферном давлении; в этих условиях соединение разлагается
с образованием мелко дисперсного железного порошка. Затем порошок подвергают отжигу для удаления примесей. Этим способом получают порошки большой чистоты. Такие порошки имеют высокую стоимость в результате больших материальных и энергетических затрат.
При механическом дробленииметаллов в порошки используют шаровые, вибрационные и вихревые мельницы. Шаровая мельница представляет собой барабан, внутри которого помещены шары из закаленной стали или твердых сплавов. Металл в виде мелких кусков, стружки засыпают в барабан, который приводится во вращение (30—120 об/мин), при этом происходит дробление материала да счет соударения шаров и ударов последних о барабан.
В вибрационной мельнице барабану и шарам сообщаются колебания с амплитудой 2-3 мм при частоте, равной частоте вращения барабана (1500—-3000 об/мин). Колебания осуществляются с помощью вибратора в виде эксцентрикового вала, соединенного с электродвигателем через упругую муфту.
Вихревая мельница состоит из закрытого корпуса, внутри которого с большой скоростью вращаются в противоположных направлениях два пропеллера. Кусочки проволоки, подаваемые в рабочую камеру, увлекаются вихревыми потоками, которые создаются пропеллерами, и при ударе друг о друга измельчаются. Так как частички нагреваются, в рабочей камере во избежания окисления должна быть инертная или восстановительная атмосфера. Вихревые мельницы можно использовать для измельчения любых металлов и сплавов.
Ввиду невысокой производительности способа механического дробления получаемые порошки имеют высокую стоимость по сравнению с порошками, изготовленными другими способами. Наиболее дешевые порошки, изготовленные методом распыления расплавленного металла.