7.3.4. Распыление расплавов металлов и сплавов

Распыление является одним из наиболее производительных мет­одов получения порошков. В его основе лежит распыление расплавленного металла с помощью воздуха, инертных газов, пара, воды или ударов лопаток вращающегося диска.

Этот метод применяется при изготовлении порошков сравнительно легкоплавких металлов и сплавов, таких как свинец, цинк, медь, чугун, железо, сталь, бронза, латунь. Температура плавления ограничивается и практически близка к 1400 °С, что обусловлено стойкостью огнеупоров.

Мы рассмотрим наиболее распространенный метод распыления, установка для которого изображена на рис. 67. Такая установка обеспечивает хорошее распыление с большим выходом тонких фрак­ций и используется для получения порошков различной формы.

Рис.67. Установка для распыления жидкого металла:

1 – металлоприемник или печь для расплава металла; 2 – колонна распыления; 3 – блок форсунок; 4 - отстойник или сборник порошка; 5 – нагреватель; 6 – сливное отверстие; 7 – металлогазовый или металлопароводяной факел; 8 – расплав металла.

Назовем основные факторы, влияющие на свойства получаемых порошков.

Физико-химические: вязкость, плотность, поверхностное натяже­ние, теплоемкость, теплопроводность.

Технологические: температура расплава и энергоносителей, дав­ление энергоносителя и скорость истечения, удельный расход диспер­гирующих газов или жидкостей.

Конструкционные: форма и размер форсунок, угол их располо­жения, размер колонны и т. п.

С повышением температуры расплавов их вязкость снижается, а значит, возрастает текучесть.

Поведение вязкости подчиняется закону Аррениуса:

,

где Y₀- кинематическая вязкость расплава при температуре плав­ления металла; Е - общая энергия системы; R - универсальная газо­вая постоянная; Т - абсолютная температура расплава.

Под действием поверхностного натяжения капля металла стре­мится принять форму шара, т. к. последний имеет минимальное зна­чение поверхностной энергии. Изменяя вязкость и поверхностное натяжение расплава, его начальную температуру, коэффициент теп­лоотдачи (например, изменяя скорость подачи газа или жидкости), можно активно влиять на форму частиц получаемого порошка.

Энергоноситель может быть химически активным или пассив­ным к распыляемому расплаву. Начальной стадией взаимодействия является физическая адсорбция газа на поверхности расплава, ко­торая резко возрастает при дроблении струи и увеличении вместе с тем поверхности взаимодействия.

Метод распыления водой - один из наиболее экономичных. Дав­ление струи воды изменяется в пределах от 5 до 18 МПа.

Для предотвращения окисления колонна заполняется азотом или аргоном. При распылении водой скорость охлаждения капель и ча­стиц порошка достигает 10⁶ К/с (для сравнения , при обычном ох­лаждении литья - 1 К/с).

Сверхвысокие скорости охлаждения обеспечивают особую неравновесную микроструктуру материала, характеризующуюся от­сутствием ликваций, сегрегаций, а также избыточное содержание легирующих элементов в твердом растворе.

Наличие неравновесной структуры в частицах порошка и его активности приводит к значительному повышению свойств спечен­ного компактного материала. Такая микроструктура образуется при скоростях охлаждения выше 10⁵ К/с. Размер частиц можно опреде­лить по формуле Лышевского:

,

где W - скорость водяной струи; - поверхностное натяжение рас­плава; ρ - плотность расплава;d - диаметр частицы.

Диспергирование практически осуществляется не водой, а перегретым паром, образующимся у поверхности капель расплава.

Изменяя при распылении температуру, давление, атмосферу в колонне (камере), можно регулировать форму, размер частиц, ско­рость их охлаждения.

Форма частиц, как известно, оказывает определяющее влияние на формуемость порошковых материалов, спекаемость и т. п. Ос­новные закономерности процесса распыления водой справедливы и при газовом распылении.

Существует ряд других специальных методов распыления рас­плавов, в том числе таких, при которых образуется аморфная струк­тура порошковых частиц.