7. Виробництво порошків

Існують такі головні способи отримання металевих порошків:

• відновлення оксидів металів і їхніх солей;

• електролітичне осадження;

• механічне дроблення;

• розпилення струменя розплавленого металу;

• термічна дисоціація;

• спеціальні методи.

Метод відновлення

Отримання металевих порошків шляхом відновлення оксидів чи солей є одним з найдавніших і розповсюджених методів. Він є найбільш економічним за умови використання як вихідної дешевих видів сировини і безпосередньо руд, відходів металургійних виробництв і т. ін.

У промисловості цей метод широко застосовується для отримання порошків таких металів, як залізо, мідь, нікель, кобальт, вольфрам, молібден, а для деяких з них, наприклад для вольфраму і молібдену, є єдиним. Відновлені порошки добре пресуються і спікаються. Відновниками можуть бути водень, СО, природний газ; тверді речовини - сажа, кокс, деревне вугілля, лужні метали.

Недоліком методу є те, що отримані за його допомогою порошки вміщують багато домішок, в тому числі оксиди, карбіди.

Фізико-хімічні основи відновлення

Під відновленням розуміють перетворення оксиду чи солі в елемент чи нижчий оксид (нижчу сіль). Згідно з адсорбційно-автокаталітичною теорією, процес відновлення складається з наступних етапів:

• адсорбція газу-відновника на поверхні оксидної плівки;

• руйнування кристалічної решітки оксиду;

• утворення нових оксидних фаз;

• десорбція газоподібних продуктів з поверхні частинок.

У загальному вигляді реакцію відновлення можна записати як

МеО„ + mX<->Me + Х_тО„,

де MeO - оксид металу; X - відновник; ш і п - стехіометричні коефіцієнти.

Для зміщення процесу праворуч, тобто для відновлення, необхідно, щоб хімічна спорідненість елемента X з киснем була більшою, ніж у металу Me. За вимір хімічної спорідненості з киснем звичайно беруть зміну ізобарного термодинамічного потенціалу AG (енергія Гібса):

AG = - Ар = R Т In Кр,

де AG - максимальна робота реакції за постійного тиску; R - універсальна газова постійна; Т - абсолютна температура; К_р - константа рівноваги.

Щоб оцінити напрямок реакції, необхідно визначити величини AG для МеО и ХО. У відповідності до виразу для AG запишемо:

2Ме + О_г -* 2МеО AG₃ = 4,575 lg (Ро₂) ХО,

2Х + C-г = 2X0 AG, = 4,575 lg (Ро₂)МеО

де (Ро₂) МеО і (Ро₂)ХО - пружності дисоціації оксидів МеО і ХО.

Чим більша спорідненість з киснем, тим більшим є пониження термодинамічного потенціалу. Тобто умовою реакції відновлення металу буде AG₂ < AGi або ж за абсолютною величиною |AG₂| > |AGi|.

Метал, у якого спорідненість з киснем більша, може відновляти метали з меншою спорідненістю. Розрізняють відновлення газами, вуглецем і металами.

Відновлення газами і вуглеием

Активними газами-відновлювачами є СО і Н₂ та різні гази, що вміщують їх.

Відновлення відбувається за такими реакціями.

МеО = Н₂ -» Ме + Н₂0;

МеО = CO -» Me + С0₂.

З термодинамічних міркувань СО більш активний до 800 °С, а Н₂ - за вищої температури.

Водень використовується для відновлення оксидів таких металів, як Fe, Ni, Cu, Co, W, Мо; окис вуглецю - для Fe, Cu, Ni.

Для відновлення оксидів у якості відновлювача нерідко використовується вуглець. На протилежність металам для вуглецю AG зменшується разом зі зростанням температури. За високих температур вуглець використовується для відновлення Fe, Мо, Cr, Nb та ін.

У реакціях вуглецю з оксидами майже завжди є присутнім СО, що бере участь у відновленні.

Недоліком відновлення вуглецем є можливість наявності вуглецю у кінцевому продукті.

де ffAS - енергія, що витрачається на утворення нової поверхні; а - питома поверхнева енергія; AS - приріст поверхні; KAV - вираз енергії деформації, що дорівнює роботі К пружної деформації на одиницю об'єму; AV - величина об'єму, підданого деформації.

Для крупного роздрібнення величина новоутвореної поверхні не с великою, бо отримані частинки значні за розміром. У зв'язку з цим oAS < К ДУ і витрати енергії на розкришення приблизно пропорційні об'єму тіла, що руйнується.

Для тонкого розкришення навпаки - aAS > KAV, і витрати енергії приблизно пропорційні площі новоутвореної поверхні. Багато енергії витрачається на нагрівання та деформацію, тому коефіцієнт корисної дії розкришення дуже малий.

Загальна схема отримання порошків цим методом.

1. Підготовка шихти:

• попереднє грубе розкришення;

• механічна обробка зливків для отримання стружки;

• насичення воднем.