Глава 1. Классификация методов получения порошков (стр. 5 )

В металлических порошках содержится значительное количество газов (кислорода, водорода, азота и др.) как адсорбированных на поверхности, так и попавших внутрь частиц в процессе изготовления или при последующей обработке.

Таблица 21. Условия прокаливания металлических порошков при их анализе на содержание кислорода

Порошок	Температура прокаливания, °С	Продолжительность прокаливания, мин	Лодочка для размещения навески порошка
Медный	900±15	40	Фарфоровая, корундовая, из диоксида циркония, никелевая, молибденовая
Бронзовый	800±15	40	То же
Железный	1000±15	60	»
Стальной	1150±20	60	»
Кобальтовый	1000±15	60	»
Вольфрамовый	Ю00±15	60	»
Никелевый	950±15	60	То же, кроме никелевой
Молибденовый	1000±15	60	То же, кромемолибденовой
Оловянный или свинцовый	550±Ю	30	Фарфоровая, кварцевая, корундовая

Примечание. Потерю массы (X, %) вычисляют по формуле

X = [(m2 — m3)/(m2 — m,)] 100, где m1 , m2, т3, — соответственно масса лодочки пустой (предварительно прокаленной до постоянной массы), с порошком до испытания и с порошком после испытания.

Газообразные примеси в порошках появляются также в результате разложения при нагреве загрязнений и добавляемых смазок или связок (используемых для улучшения условий последующего формования заготовок из порошка). Газовые пленки из-за ненасыщенности силовых полей на поверхности частиц порошка образуются самопроизвольно. Например, на каждом квадратном сантиметре поверхности образуется воздушная пленка массой 0,6.10-6 г; чем мельче частицы порошка, тем больше газов они адсорбируют. Внутрь частиц газы попадают различными путями. Так, при восстановлении химических соединений часть газов-восстановителей и газообразных продуктов реакции не успевает выйти наружу и находится либо в растворенном состоянии, либо в виде пузырей. Электролитические порошки содержат водород, выделяющийся на катоде совместно с осаждаемым металлом при электролизе водных растворов. В карбонильных порошках присутствуют растворенные кислород и оксиды углерода, а в распыленных — газы, механически захваченные внутрь частиц.

При большом количестве растворенных газов повышается хрупкость частиц порошков и затрудняется формование (прежде всего в прессформах) заготовок, а интенсивное газовыделение при спекании может нарушить процессы, приводящие к формированию свойств изделий (например, привести к короблению нагреваемой заготовки). Поэтому целесообразна обработка порошков, особенно высокодисперсных, в вакууме, что обеспечивает эффективное газоотделение. Газосодержание порошков определяют сложными методами, основанными на нагреве и плавлении анализируемых проб в вакууме.

Влажность порошка при содержании влаги до 0,1 % определяют высушиванием его навески до установления постоянной массы в электрическом сушильном шкафу. Навеску порошка массой 10 г (погрешность взвешивания < 0,002 г) помещают в предварительно высушенный до постоянной массы стаканчик, закрывают его крышкой и взвешивают. Затем порошок в стаканчике нагревают при 100—105 °С в течение 2 ч, охлаждают и взвешивают, после чего сушку повторяют в течение 0,5 ч, контролируя ее качество. Содержание влаги (X, %) определяют по формуле

X = (тг—m3)/m1, (4.2)

где т1у т2, m3— соответственно навеска порошка и масса стаканчика с порошком до и после испытания. Полученные (рассчитанные) значения X округляют до 0,01 %. Содержание в порошке влаги от 0,05 до 0,5 % определяют в соответствии с ГОСТ 18317—73. Способ основан на отгонке инертным газом при 200 °С из металлического порошка воды и ее взаимодействии с реактивом К - Фишера при электрометрическом титровании.

Важными химическими особенностями порошков являются их воспламеняемость пожароопасность) (пирофорность) (, взрываемость и токсичность.

Воспламеняемость порошка. Пожароопасность порошка связана с его способностью к самовозгоранию при соприкосновении с окружающей атмосферой, которая при относительно невысоких тем­пературах может привести к воспламенению порошка и даже взрыву. Она зависит от химической природы и чистоты металла, крупности и формы частиц порошка, состояния их поверхности (пленки оксидов снижают пожароопасность, а шероховатость усиливает ее). В компактном (литом) состоянии лишь немногие металлы пожароопасны и могут воспламеняться при относительно невысоких температурах (например, магний, титан, гафний и некоторые другие), тогда как в порошкообразном состоянии пожароопасны очень многие металлы. Воспламенение может произойти в результате не только окисления, но и других экзотермических реакций, например образования карбидов или нитридов в процессе взаимодействия металлического порошка с азотом или углеродсодержащим газом. Однако основной причиной воспламенения порошков принято считать их взаимодействие с кислородом (воздухом). Для порошков некоторых металлов контакт с воздухом может привести к почти мгновенному воспламенению при относительно невысоких температурах. Если отсутствуют факторы, подавляющие начавшуюся реакцию (например, на поверхности частиц не возникает плотной защитной пленки оксида, препятствующей дальнейшему непосредственному контакту металла с окружающей средой), воспламенение приводит к устойчивому горению. Внешний источник тепла для воспламенения порошка иногда не нужен, если при экзотермической реакции выделяется много энергии. Например, многие высокодисперсные порошки обладают большой удельной поверхностью и способны к самопроизвольному возгоранию при комнатной температуре, в связи с чем их называют пирофорными (термин «пирофорность» часто употребляют более широко как синоним воспламеняемости порошка).

Воспламеняемость порошка зависит от того, находится ли он в свободно насыпанном состоянии (т. е. в виде аэрогеля) или в виде взвеси в окружающей атмосфере (т. е. в виде аэрозоля). Для аэрогелей определяют температуры самонагревания, тления, самовоспламенения и воспламенения, а также энергию воспламенения.

Температура самонагревания — наименьшая температура, при которой в порошке возникает экзотермическая реакция взаимодействия с окружающей газовой атмосферой, инициированная посторонним тепловым импульсом (нагретой окружающей газовой средой или нагретым телом). Для ее определения слой порошка помещают на плавно нагреваемой поверхности либо вносят его в в тигле или на подставке в горячую (разогретую) печь. В первом случае с определенного момента температура порошка перестает следовать изменению температуры нагреваемой поверхности, обгоняя ее из-за самонагрева; температуру начала этого расхождения принимают за температуру самонагрева порошка. Во втором случае за такую температуру принимают температуру в печи, при которой внесенный в нее порошок самонагревается.

Температура тления — наименьшая температура порошка, при которой в результате самонагревания возникает тление, т. е. свечение без пламени. Ее измеряют на порошке, помещенном в нагревательное устройство, в момент фиксируемого визуально возникновения тления.

Температура самовоспламенения — наименьшая температура порошка, при которой резко повышается скорость экзотермического процесса, заканчивающегося самопроизвольным возникновением пламени. Обычно за эту температуру принимают минимальную температуру в печи, при которой внесенный в печь на подставке слой порошка воспламеняется.

Температура воспламенения — наименьшая температура порошка, при которой от постороннего источника тепла в порошке происходит резкое повышение температуры вследствие экзотермического процесса, заканчивающегося самопроизвольным возникновением пламени. Для ее определения к слою порошка прижимают нагретое тело. Если при этом происходит воспламенение, то температуру этого тела и принимают за минимальную температуру воспламенения (при кратковременном соприкосновении с воспламенителем определить температуру порошка в контактной зоне технически очень трудно).

Рис. 87. Установка (а) и график (б) для определения температур, характеризующих самовоспламенение аэрозолей порошков

Энергия воспламенения — количество переданной порошку энергии, достаточное для его воспламенения. Ориентировочно ее вычисляют по формуле теплового баланса, зная температуру воспламенения порошка и время его нагрева до нее. При испытании на воспламенение с применением искровых установок энергии воспламенения соответствует минимальная энергия разряда, вызывающего воспламенение порошка.

Установка МИСиС для оценки температур, характеризующих воспламеняемость металлических порошков, показана на рис. 87, а. Навеску порошка 1 размещают на пластинке из прокаленного асбеста 2 в нижней части реакционной кварцевой трубки 3, в которую сверху вводят воздух (его расход измеряют реометром 8), а выводят его через кварцевую трубку 7. Реакционную трубку 3 помещают в массивный металлический блок 4 и вводят его при испытании в электропечь 5. Металлический блок 4 обеспечивает равномерный нагрев трубки 3 с навеской исследуемого порошка 1 и помещенной в блоке навески эталонного порошка 6 из инертного материала с теплофизическими свойствами, близкими к исследуемому порошку. Печь нагревают по заданному режиму и дифференциальной термопарой (на рисунке не показана) измеряют разность температур исследуемого и эталонного порошков. На рис. 87, б приведен общий вид графических зависимостей, позволяющих определять температурные характеристики воспламеняемости аэрогелей порошков. При нагреве температура воздуха в печи (кривая 1) изменяется прямо пропорционально продолжительности нагрева, температура порошка инертного (эталонного) материала повышается с некоторым отставанием во времени (кривая 2) по сравнению с температурой газа в печи, а температура исследуемого порошка до определенного момента повышается идентично температуре порошка эталона. При определенной температуре, соответствующей точке а, начинается саморазогрев исследуемого порошка вследствие его окисления. Эту температуру считают температурой самонагревания. Дальнейшее повышение температуры для некоторых порошков сопровождается какое-то время их тлением. При интенсивном окислении исследуемого порошка может произойти самовоспламенение, сопровождающееся резким повышением температуры и появлением пламени (точка б, кривая 3). Температура, соответствующая этому моменту