Глава 1. Классификация методов получения порошков (стр. 4 )

Энергозатраты, зарплата, ремонты, прочие

Электроэнергия технологическая 18,6

Электроды графитированные. 5,0

Заработная плата основных рабочих 6,7

Расходы по переделу............. 38,7

В том числе:

общезаводские.................................. 2,5

прочие.................................. 36,2

Итого............................................. 69,0

что выше предельного размера, установленного ГОСТ 17359—82 для понятия «частица металлического порошка». В связи с этим методы и закономерности грануляции расплавов рассматривать не будем.

Физико-химические и механические процессы при распылении

Структура и свойства жидких металлов и сплавов. Все металличе­ские расплавы обладают весьма низкой механической прочностью (близкой к нулю), относительно небольшой вязкостью и склонны к хрупкому разрушению при воздействии на их струю динамических сил (потока газа или жидкости) определенных скорости и давления. При температурах, существенно превышающих температуру плавления металла или сплава, такие жидкости относят к ньютоновским (Ньютоновская жидкость имеет в области ламинарного течения постоянной скоростью, не зависящей от его режима –вода, керосин, спирт и др.).

Известный советский физик (1894—1952 гг.) сформулировал положение, согласно которому с термодинамической точки зрения металлическую жидкость вблизи точки кристаллизации можно рассматривать как твердое, но сильно разрыхленное тело с множеством разрывов (дыр) между некоторыми соседними атомами при наличии связи со всеми остальными; дыры быстро залечиваются и появляются вновь. Плавление реальных, а значит и дефектных кристаллов, большинства металлов наступает внезапно, их объем увеличивается приблизительно на 3 % (дополнительный объем жидкости можно рассматривать как сумму объемов всех дырок, находящихся в ней в определенный момент времени).

По современным представлениям плавление, разрушая кристаллическую решетку как жесткую систему колебаний атомов, нарушает межатомные связи дальнего порядка, но сохраняет ближний порядок, т. е. упорядоченность атомов, присущую соответствующей решетке.

Для процесса диспергирования наиболее важны вязкость, поверхностное натяжение и плотность расплава. Вязкость или обратное ей свойство текучесть характеризует сопротивление жидкости сдвигу, объясняется наличием у нее свободного, т. е. дополнительного по отношению к твердому телу объема, и определяется главным образом прочностью межатомной связи и плотностью упаковки атомов. Для гомогенной жидкости она зависит от температуры, а для гетерогенной жидкости — еще и от формы, размеров и числа включений. Поверхностное натяжение расплава характеризует работу образования физической поверхности раздела фаз, отнесенную к единице поверхности, и существенно влияет на процессы, сопровождающие диспергирование. Оно зависит от температуры расплава, уменьшаясь с ее повышением. Плотность расплава линейно зависит от температуры нагрева, уменьшаясь с ее повышением из-за увеличения объема металлической жидкости и появления в ней новых «дырок».

Таким образом, на структуру, физические свойства и форму частиц распыленного порошка большое влияние должен оказывать перегрев расплава над ликвидусом. Отметим, что при кристаллизации (затвердевании) частиц наблюдается переохлаждение металлического расплава, связанное с трудностью (высокой энергией активации) зарождения центров кристаллизации в нем. Степень переохлаждения ∆Т определяется разностью температуры ликвидуса Тл и максимальной температуры начала кристаллизации Тм. кр жидкой капли. По формальному правилу минимальная температура переохлаждения расплава равна ~ 0,2 Тпл. (например, для свинца 80, меди 236, серебра 227, никеля 319, кобальта 330, железа 295 °С). Чем выше температура перегрева расплава, больше скорость охлаждения и меньше капля, тем больше ∆Т . Это позволяет получать либо сплавы, пересыщенные по одному или многим элементам (зафиксированная растворимость которых в закристаллизовавшихся каплях малых объемов может превышать в несколько раз равновесную концентрацию), либо материалы с атомизированной структурой, называемые аморфными (нужны скорости охлаждения более 106 °С/сек).

Взаимодействие расплава с окружающей средой. При распылении неизбежно изменение состава расплава из-за взаимодействия с воздухом или аргоном при плавлении, энергоносителем (воздухом, азотом, аргоном, водой и др.) или охлаждающей средой (инертным газом, воздухом, водой и пр.). Общая схема взаимодействия расплава с газами обычно представляет их физическую адсорбцию на поверхности расплава (начальная стадия), хемосорбцию газа в расплаве (химическое взаимодействие с образованием на поверхности расплава тонких пленок оксидов, нитридов и пр.), диффузию атомов газа внутрь расплава и образование химического соединения. Две последние стадии зависят от количества адсорбированного газа, температуры, времени существования капли в жидком состоянии, характера взаимодействия металла капли с окружающей средой, наличия или отсутствия растворимости в расплаве газа и других факторов.

Для распыления наиболее важны процессы взаимодействия расплава с кислородом (окисление), азотом (азотирование) и водородом (наводораживание). При взаимодействии расплава с кислородом образование первичных оксидных пленок происходит практически мгновенно. Структура такой пленки может быть как аморфной, так и кристаллической. Плотные тугоплавкие оксидные пленки существенно влияют на процесс формообразования частиц, подавляя действие сил поверхностного натяжения, определяющих про­цесс сфероидизации капли. В итоге это приводит к формированию частиц неправильной формы с рельефной, развитой поверхностью. Интенсивность взаимодействия кислорода с компонентами расплава зависит от их химической природы, размера жидких частиц, их реакционной поверхности и типа энергоносителя при диспергировании струи металла. При распылении легированных расплавов, содержащих титан, алюминий, хром, ванадий и другие элементы, образующие с кислородом прочные трудновосстановимые оксиды, более предпочтительны инертные газы-энергоносители.

Водород в зоне распыления может образовываться как результат диссоциации паров воды при высоких температурах. Легко поглощают водород Рd, Рt, Мо, Та, Zr, Ве, Тi, Rе, Оs, образуя гидриды. В некоторых металлах (Сu, Аg, Аu, Рb и др.) водород содержится, вероятно, в адсорбированном виде на поверхности микронеоднородностей и включений. При снижении температуры растворенный водород выделяется из металла, являясь в ряде случаев причиной пористости распыленных порошков и изделий из них.

Азот попадает в расплав практически на всех этапах технологии. Он хорошо растворяется в железе, хроме, ванадии, марганце, молибдене, титане, цирконии и других металлах с образованием нитридов, что приводит к повышению твердости и снижению пластичности порошков, в связи с чем азот является нежелательной примесью. Медь, никель, серебро, золото, вольфрам не растворяют азот и не взаимодействуют с ним.

Для получения высококачественных, чистых по кислороду и азоту порошков жаропрочных сталей, титана, циркония и других металлов в технике в качестве технологических сред широко используют инертные газы (аргон, гелий) и вакуум.

СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ И МЕТОДЫ ИХ КОНТРОЛЯ

Металлические порошки принято характеризовать химическими, физическими и технологическими свойствами, знание которых позволяет создать объективное представление о рассматриваемой совокупности огромного числа частичек вещества и является необходимым условием правильной организации технологических процессов в порошковой металлургии. Основные характеристики порошков, наиболее важные для их последующего применения, регламентированы ГОСТами СССР или отраслевыми (республиканскими) техническими условиями (ТУ).

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Оценивая пригодность порошка для изготовления из него материалов и изделий, прежде всего интересуются содержанием в нем основного металла (основных компонентов порошков сплавов или соединений металлов), примесей, различных механических загрязнений и газов. Химический состав порошка зависит в основном от метода его производства, а также от степени чистоты исходных материалов. Химический анализ проводят по методикам в соответствии с ГОСТами или утвержденной в установленном порядке нормативно-технической документацией; большинство таких методик аналогично применяемым для анализа состава литых металлов и сплавов.

Содержание основного металла в порошке или сумма основных компонентов сплава составляет обычно > 98—99 %, что достаточно для последующего изготовления большинства порошковых материалов. В некоторых случаях при производстве изделий с особыми свойствами (например, магнитными) применяют более чистые металлические порошки.

Предельное количество примесей в порошках определяется допустимым содержанием их в готовой продукции; Исключение сделано для оксидов железа, меди, никеля, вольфрама и некоторых других металлов, которые при нагреве в присутствии восстановителя легко образуют активные атомы соответствующего металла, что приводит к улучшению спекаемости порошка в целом. Поэтому содержание в металлических порошках таких оксидов может быть довольно большим и составлять 1—10 %, что соответствует 0,2— 1,5 % кислорода. Наличие в порошке трудновосстановимых оксидов хрома, марганца, кремния, титана, алюминия и др. крайне нежелательно, так как они затрудняют в последующем и прессование (формование) порошка, и спекание получаемых заготовок. Естественно, речь идет не о тех случаях, когда присутствие указанных оксидов придает специальные свойства материалам (дисперсно-упрочненные материалы, керметы и др.). Определение кислорода в порошках может быть качественным (по ГОСТ 18897—73 определяют потерю массы порошка при его прокаливании в атмосфере сухого водорода по режимам, приведенным в табл. 21, или оценивают пикнометрическую плотность частиц порошка) или количественным (навеску порошка восстанавливают чистым и хорошо осушенным водородом, улавливают образующиеся пары воды пентаоксидом фосфора, оксидом кальция или каким-либо другим активным влагопоглотителем и рассчитывают количество кислорода по привесу соответствующего поглотителя). Широкое применение получили методы нейтронно-активационного анализа.