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

Глава 1

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВ

Металлические порошки — основа порошковой металлургии, тех­нология которой начинается с их получения. Мировое производство порошков черных и цветных металлов ежегодно возрастает, и темпы роста в течение длительного времени остаются достаточно высокими (табл. 1).

Производство железных порошков в Европе и Америке в 1983 г. увеличилось на 39 %, а в 1984 г.— на 56 % по отношению к уровню 1982 г. и по оценкам может достичь к 1995 г. 1,5—1,8 млн. т. В 1987 г. мировое производство порошков железа и цветных ме­таллов составило 655 тыс. т. В СССР производство железных по­рошков в XI пятилетке удвоилось и к концу 1990 г. должно было возрасти еще в 2 раза (в 1987 г. достигло 100 тыс. т).

Динамичное наращивание производства металлических порош­ков связано с развитием имеющихся и разработкой более дешевых и простых способов их получения. Метод производства и природа соответствующего металла, сплава или металлоподобного соедине­ния определяют химические (содержание основного металла, при-

Таблица 1. Объемы годового выпуска металлических порошков в капиталистических странах, тыс. т

Регион, страна	Порошок	1975	1979	1980	1982
США и Канада	Железный	130,0	180,0	160,0	200,0
	Медный и сплавов на основе меди сплавов на	18,2	24,3	18,0	25,0
	Никелевый	9,7	15,1	16,8	18,0
Япония	Железный Медный и сплавов на основе меди	48,0 3,2	73,0 5,4	80,0 6,0	91,0 6,7
Западная Европа	Железный	96,0	110,0	110,0	120,0

месей и загрязнений, пирофорность и токсичность), физические (форму, размер, удельную поверхность, истинную плотность и микротвердость частиц) и технологические (насыпную плотность, текучесть, уплотняемость, прессуемость и формуемость порошка) свойства получаемого металлического порошка. В некоторых случаях необходимо знание и более специфических свойств порошка, например цвета, блеска, кроющей способности красителя из него и пр. Очень часто некоторые свойства порошка одного и того же металла, определяющие применимость его для той или иной цели, существенно изменяются в зависимости от метода производства. Порошки, идентичные по химическому составу могут иметь разные физические характеристики и резко различаться по технологиче­ским свойствам, что приводит к значительным изменениям условий дальнейшего превращения порошка в готовые изделия и влияет на их свойства. Разнообразие требований, предъявляемых к порошкам в зависимости от области их применения, а также свойства (природа) самих металлов объясняют существование большого числа различных методов производства металлических порошков. Общепринятым является условное деление этих методов на физико-химические и механические (табл. 2).

К физико-химическим методам относят технологические про­цессы производства порошков, связанные с глубокими физико-химическими превращениями исходного сырья. В результате получаемый порошок по химическому составу и структуре существенно отличается от исходного материала. Основными являются методы восстановления, электролиз и термическая диссоциация карбонилов. Механические методы обеспечивают превращение исходного материала в порошок без существенного изменения его химического состава. Чаще всего используют размол твердых материалов в мельницах различных конструкций и диспергирование расплавов.

Более универсальными являются физико-химические методы, хотя в практике порошковой металлургии четкой границы между двумя указанными группами методов нет. Зачастую в технологическую схему производства порошка включают отдельные элементы (операции) как механических, так и физико-химических методов их получения. Выбирая метод получения металлического порошка, учитывают, прежде всего, необходимость обеспечения требований, предъявляемых к конечной продукции из него, а также экономическую оценку соответствующих технологических процессов — себестоимость порошка, размер капиталовложений, стоимость дальнейшей переработки порошка в изделия.

Вопросы для повторения

1.  Перечислите существующие методы получения металлических порошков.

2.  В чем основное различие между механическими и физико-химическими методами получения металлических порошков?

3. Укажите основные промышленные методы производства металлических порошков и дайте им краткую характеристику.

Рекомендательный библиографический список

Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства, области применения: Справочник/, , и др.— Киев: Наукова думка, 1985.— 624 с. (с. 33—38).

Глава 2

МЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВ

2.1 ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ ТВЕРДЫХ МЕТАЛЛОВ

Механическое измельчение компактных металлов широко распространено в порошковой металлургии. Этим способом можно превратить в порошок практически любой из металлов. Под измельчением понимают уменьшение начального размера частиц материала путем разрушения их под действием внешних усилий, преодолевающих внутренние силы сцепления. Измельчение дроблением, размолом или истиранием, являясь старейшим методом перевода твердых веществ в порошкообразное состояние, может быть или самостоятельным способом получения металлических порошков, или дополнительной операцией при других способах их изготовления. Наиболее целесообразно применять механическое измельчение при производстве порошков хрупких металлов и сплавов, таких как кремний, бериллий, хром, марганец, ферросплавы, сплавы алюминия с магнием и др. Размол вязких пластичных металлов (цинка, меди, алюминия и др.) затруднен, так как они в основном расплющиваются, а не разрушаются. Максимальная экономическая эффективность достигается при использовании в качестве сырья отходов, образующихся при обработке металлов.

При измельчении комбинируют раздавливание и удар (при получении крупных частиц), истирание и удар (при тонком измельчении). При дроблении твердых тел затрачиваемая энергия расхо­дуется на упругую и пластическую деформации, на теплоту и образование новых поверхностей, которое и является конечной целью их превращения в порошок. Процесс деформации твердых тел заключается в том, что под действием внешних сил в наиболее слабых местах тела образуются замкнутые или начинающиеся на поверхности мельчайшие трещины. При прекращении внешнего воздействия трещины под действием молекулярных сил могут смыкаться («самозаживляться») и тело подвергается лишь упругой деформации. Разрушение наблюдается в том случае, когда трещины настолько увеличиваются, что пересекают твердое тело по всему его сечению в одном или нескольких направлениях. В момент разрушения напряжения в деформирующемся теле превышают некоторое предельное значение (предел прочности материала), упругая деформация сменяется деформацией разрушения и происходит измельчение.

Согласно теории дробления, предложенной , работа, затрачиваемая на измельчение, в общем случае представляет собой сумму Слагаемое представляет собой энергию, расходуемую на образование новых поверхностей раздела при разрушении твердого тела (σ — удельная поверхностная энергия, т. е. энергия, приходящаяся на единицу поверхности тела, а ∆S — происходящее при измельчении приращение поверхности, равное разности между величинами поверхностей тела после и до разрушения). Слагаемое K∆Vвыражает энергию деформации (К — работа упругой и пластической деформации на единицу объема твердого тела, а ∆V— часть объема тела, подвергшаяся деформации). При крупном дроблении вновь образующаяся поверхность невелика, так как получаемые частицы значительны по размеру. В связи с этим σ∆S<<K∆V и расход энергии на дробление приблизительно пропорционален объему разрушаемого тела. При тонком измельчении вновь образующаяся поверхность очень велика и σ∆S>>K∆V . Поэтому расход энергии на измельчение приблизительно пропорционален вновь образующейся поверхности. К сожалению, сама работа диспергирования всегда исчезающе мала, так как почти вся энергия измельчающего устройства затрачивается на деформацию разрушаемого тела и на образование теплоты. Коэффициент полезного действия любого такого устройства очень низок.

Операцию механического измельчения твердых тел часто совмещают с одновременным приготовлением смесей порошков. Среди методов измельчения твердых материалов наибольшее распространение получили обработка металлов резанием с образованием мелкой стружки или опилок, измельчение металла в шаровых, вихревых, молотковых и других мельницах, ультразвуковое диспергирование.

Измельчение ультразвуком

Металлические порошки различной крупности могут быть получены ультразвуковым диспергированием твердого вещества в жидкости.

Ультразвук представляет собой упругие колебания и волны, частота которых превышает 15—20 кГц (для низкочастотного ультразвука частота составляет 15—100 кГц, для средних частот — 100 к Гц — 10 МГц, для высокочастотного ультразвука — 10 МГц— 1 ГГц; упругие волны с частотами выше 1 ГГц называют гиперзвуком). Распространяясь в жидкости, твердом веществе или газе, упругие колебания создают звуковую волну, которая образует в соответствующей среде сгущения и разрежения с частотой налагаемых колебаний. Наличие ускорения при движении частиц среды, обладающих определенной массой, приводит к возникновению давления звуковой волны (звукового давления), избыточного по отношению к атмосферному давлению.