17.1. Получение металлических порошков

Порошки получают в основном механическими и физико-химическими методами. Наиболее широкое применение в производстве металлических порошков получили механические методы. При этом механическое измельчение путем дробления или размола целесообразно применять при производстве порошков хрупких металлов и сплавов – бериллия, хрома, марганца, сурьмы и других элементов. Для этих целей используют дробилки и мельницы различных конструкций.

Одним из наиболее эффективных методов получения металлических порошков является распыление струи расплавленного металла. Полученные из таких порошков детали отличаются повышенной прочностью и пластичностью, что обусловлено высокой скоростью остывания частиц порошка в процессе распыления жидкого металла. Этот метод отличается высокой производительностью и позволяет вводить в состав сплава различные легирующие добавки.

Распылением можно получить порошок практически любого химического состава при высокой степени однородности. Например, легированием порошка железа молибденом, хромом, никелем, вольфрамом можно повысить его механическую прочность, коррозионную стойкость, жаропрочность. Из такого порошка изготавливают ответственные детали гидроаппаратуры, ядерной техники, авиационных и ракетных двигателей.

Чаще всего распыление расплава производится сжатым воздухом в воду (рис.77). При этом в качестве исходного металла можно использовать и металлическую стружку без ее переплава. Это может быть одним из важнейших путей экономии металла, поскольку переплав стружки приводит к выгоранию ценных легирующих элементов и образованию угара.

В практике существует и другой метод распыления расплавленного металла. Сущность этого метода состоит в распылении жидкого металла посредством быстро вращающегося диска (рис.78). Под действием центробежной силы частицы металла разлетаются и попадают в кольцевую камеру, охлаждаемую жидким гелием, после чего сортируются по размерам. Преимущество этого метода заключается в том, что он дает возможность быстро корректировать химический состав порошка в зависимости от нужд производства и не требует сложного оборудования.

Одним из наиболее распространенных способов получения металлических порошков является восстановление металлов из их оксидов и других соединений. Методом восстановления получают, например, порошок железа, вольфрама, молибдена, кобальта, титана и других металлов. Восстановителями при этом могут служить газы (водород, природный газ и др.) и твердые вещества (сажа, кокс, щелочные металла и др.). В настоящее время разрабатываются технологии получения порошков железа непосредственно из руд путем их прямого восстановления. Полученный при этом порошок может быть переработан непосредственно в листы или металлическую ленту.

Высококачественные мелкодисперсные порошки различных металлов можно получать карбонильным методом.

Сущность этого метода состоит в том, что некоторые металлы при определенных условиях образуют с оксидом углерода СО химические соединения, называемые карбонилами, например Fe(CO)5, Ni(CO)4 и др. Эти соединения неустойчивы при обычных температурах и легко разлагаются (диссоциируют) при повышенных температурах с образованием тонких порошков металла и оксида углерода.

Этим методом получают, например, порошки железа, никеля, кобальта и других металлов. В частности, карбонилы железа получают при воздействии на железо оксида углерода СО при давлении 18…20 МПа и температуре около 200?С:

Fe + 5CO > Fe(CO)5.

Полученное в результате реакции соединение Fe(CO)5 выделяют и разлагают на тонкий порошок. Реакция разложения протекает при температуре 200…300?С и атмосферном давлении. Порошок затем подвергается отжигу для удаления примесей. Почти полное отсутствие примесей позволяет получить этим методом порошок с содержанием железа до 99,9%. Однако металлические порошки, полученные по этой технологии, имеют достаточно высокую стоимость ввиду больших энергетических затрат.

Форма и размеры порошка существенно влияют на свойства изделий и на технологические режимы их получения.

В порошковой металлургии используют порошки с размером частиц в пределах 0,1мкм…0,5 мм. Гранулометрический с

остав определяют с помощью набора сит, имеющих различное количество отверстий на единице площади. Частицы могут иметь также различную форму: осколочную, плоскую, сферическую и др. Форма частиц зависит от способа изготовления порошка. При механическом дроблении получают частицы осколочной формы, а при распылении и термической диссоциации – сферической.

Технологический процесс изготовления изделий из металлических порошков состоит из приготовления исходной смеси-шихты, формирования заготовок и их последующего спекания.

Приготовление шихты предполагает очистку порошков, их отжиг с целью уменьшения окисленности и классификацию на фракции по размерам частиц.

Смешивание шихты производят в мельницах различного типа, смесителях, во вращающихся барабанах и в других устройствах. Шихту составляют из дозированных порций компонентов определенного гранулометрического и химического состава. В случае необходимости в исходную смесь добавляют различные технологические присадки, облегчающие процесс прессования. В качестве таких присадок используют, например, парафин, стеарин, каучук и др. При смешивании порошков, резко отличающихся по своим свойствам (например, железа и графита), в целях получения наиболее однородной смеси применяют добавки спирта или глицерина.

В результате операции подготовки исходные компоненты должны быть равномерно распределены по всему объему смеси.

Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов, Гомель 2008