Порошковая металлургия и композиционные материалы (стр. 13 )

Легкоплавкие металлы (с ликвидусом до 800 °С) могут распыляться путем подачи энергоносителя через горизонтальные, расположенные друг напротив друга трубы (рис. 16, б), с множеством отверстий для выхода газа. Расплав металла подается в зону распыления сразу из нескольких последова­тельно расположенных металлоприемников.

Рис. 16. Схемы распыления расплава воздействием струи газа: а - схема с вертикаль­ным расположением форсуночного устройства: 1 - металлоприемник; 2 - струя рас­плава; 3 - форсуночное устройство; 4 - кольцевое сопло Лаваля; б - схема много­струйного форсуночного элемента трубчатого типа: 1 - металлоприемник; 2 - трубо­проводы; 3 - отверстия для выхода газа; 4 - струя расплава; 5 - струи газа

Ограниченное распространение имеет схема с горизонтальным распо­ложением форсуночного устройства инжекционного типа. Подобная схема предусматривает подачу расплава непосредственно из плавильного про­странства печи под давлением газа. Подобную схему в основном применяют для получения порошков алюминия, свинца, олова, цинка и некоторых при­поев.

В последние десятилетия в качестве энергоносителя все более активно используют воду. Скорость водных потоков, направляемых на расплав, дос­тигает 100-150 м/с при давлении до 15-25 МПа. Высокая скорость воды в за­висимости от конструкции форсунки сохраняется на расстоянии до 500 мм, что позволяет подобрать наиболее эффективную схему распыления расплава. Струи воды могут направляться на расплав с одной или нескольких сторон. На практике применяются схемы, в которых диспергирование расплавов осуществляется коаксиальными потоками энергоносителя под углом от 5-15 до 60-70°. В большинстве случаев для распыления металлов используют со­пловые, кольцевые-щелевые или плоскощелевые форсунки.

При контакте воды с расплавом, нагретым выше 100 °С, происходит интенсивное парообразование. Это существенно изменяет теплофизические характеристики процесса, так как плотность пара существенно меньше плот­ности воды и паровая оболочка хуже отводит тепло, чем вода. Однако скорость охлаждения образующихся капель-частиц лежит не ниже 106-107 °С/с.

Бесконтактные методы распыления расплавов

Бесконтактные методы диспергирования расплава основаны на ис­пользовании мощных импульсов электрического тока, пропускаемых через твердый или жидкий металлический проводник, а также электромагнитных полей. Если пропустить разряд тока большой величины через тонкую метал­лическую проволоку, то она практически мгновенно испарится с образовани­ем атомарного пара металла, конденсация которого приведет к формирова­нию отдельных частиц порошка. Размеры частиц будут зависть от величины токового импульса, диаметра проволоки, атмосферы, в которой произошло распыление.

Рис. 17. Схемы бесконтактных методов распыления расплава: а - пропускание тока по струе расплава: 1 - тигель; 2 - электроды; 3 - индуктор; 4 - расплав; 5 - камера; 6 - сборник порошка; б, в - при наложении электромагнитного поля (б - на струю, в - на расплав): 1 - металлоприемник; 2 - электромагнитная катушка; 3 - струя расплава

Если ток проходит по жидкому проводнику (рис. 17, а), то возникает магнитное давление, направленное по радиусу к центру струи расплава, при­водящее к ее распаду на капли-частицы размером 10-500 мкм. При диспер гировании жидкого металла с помощью электромагнитного поля силы, кото­рые инициируются в индукционной катушке, действуют либо на струю, сжи­мая и разрушая ее (рис. 17, б), либо непосредственно на расплав, выдавли­вая его по каплям из отверстия в канале (рис. 17, в).

Методы высокоскоростного охлаждения расплавов

В настоящее время активно развиваются методы распыления распла­вов, обеспечивающие возможность получения порошков с аморфной струк­турой. Затвердевание металлического расплава со скоростью больше 106 °С/с связано с излучательной потерей энергии или конвекцией тепла. Передача тепла путем непосредственного контакта капли расплава с теплопроводящей поверхностью позволяет достичь скоростей порядка 1010 °С/с.

Один из применяемых на практике методов высокоскоростной закалки позволяет обеспечить быстрое (107 -108 °С/с) затвердевание жидкой капли расплава за счет ее попадания на водоохлаждаемый экран, который устанав­ливается под углом от 15 до 45° к направлению ее движения.

При ударе об экран капля расплава перемещается по его поверхности и кристаллизуется в виде частицы пластинчатой формы. Этим методом полу­чают так называемые РИБЗ-порошки (распыленные и быстрозакаленные). Распыление расплава (чаще всего) производят с использованием перфориро­ванного быстровращающегося тигля.

Разновидностью этого метода является способ высокоскоростной за­калки (ВСЗ), при котором капли расплава, выдуваемого аргоном из отверстия в графитовом тигле, попадают на медный кристаллизатор, вращающийся со скоростью до 104 об/мин. Встречная скорость движения капли, выдуваемой из отверстия в дне графитового тигля аргоном, с поверхностью кристаллиза­тора составляет около 500 м/с. Распыление расплава ведут в вакууме или в атмосфере инертного газа.

Высокоскоростное затвердевание капель жидкого металла может обеспечиваться при извлечении небольших объемов материала кромкой быстровращающегося в вертикальной плоскости, погруженного в контейнер с расплавом диска. Скорость вращения диска - 2 000-5 000 об/мин. Скорость охлаждения металла на различных этапах процесса диспергирования состав­ляет от 103 до 108 °С/с. Придавая рабочей поверхности диска (кромке) раз­личный рельеф рисунка, можно извлекать из расплава частицы различной формы (чешуйчатой, игольчатой, волокнистой).

Контрольные вопросы и задания

Назовите способы центробежного распыления расплавов. Какие факторы определяют размер частиц порошка, полученного методом центробежного распыления расплавов? Назовите способы ультразвукового распыления расплавов. Какое оборудование используют при распылении расплавов энер­гоносителями? Назовите схемы распыления металлических расплавов энергоноси­телями. В чем особенность распыления расплавов водой? Перечислите основные способы бесконтактного метода получения порошков. Какие скорости кристаллизации частиц расплава наблюдаются при распылении расплавов водой и газами? Что такое РИБЗ-порошки? В чем особенность метода ВСЗ?

Методы получения металлических волокон. Физические свойства порошков

План лекции

Технологии получения металлических волокон. Методы определения размеров частиц и гранулометрического со­става порошка.

Технологии получения металлических волокон

Порошковое волокно - это разновидность частиц металлического по­рошка, у которых один из габаритных размеров не менее чем в пять раз пре­вышает остальные.

В связи с развитием техники высоких температур ускоренными тем­пами растет производство композиционных материалов, армированных во­локнами, усами или проволокой из стали, вольфрама, никеля, молибдена, ти­тана и других металлов, графита, оксидов алюминия, бериллия или кремния, карбидов, нитридов, боридов и других соединений тугоплавких металлов. Способы производства волокнистой компоненты таких материалов подраз­деляют на механические и физико-химические.

Механические способы. Эти способы получили наибольшее распро­странение при получении волокон.

На практике тонкую проволоку и/или металлическую стружку («шерсть») металла или сплава получают протяжкой более тонкой проволоки через фильеры или путем шабрения и шевингования на станках, дающих непре­рывные пряди металла. Как правило, полученные волокна «шерсть» и прово­локу режут на специальных приспособлениях на куски определенной (мер­ной) длины, а затем их обезжиривают в трихлорэтилене, пероксиде натрия или гидроксиде аммония.

Другой разновидностью механических способов является получение во­локна из расплава. Например, расплав подают на быстровращающийся диск, на котором под действием центробежной силы формируются волокна диамет­ром (поперечным размером) 4-75 мкм, либо выдавливают через отверстие диаметром в несколько десятков микрометров (метод экструзии расплава). При экструзии расплава можно получать как микрокристаллические, так и аморфные волокна большой длины.

Процесс экструдирования проводят следующим образом. Исходный материал расплавляют, перегревая на 50-100 °С, после чего в плавильной емкости создают избыточное давление инертного газа 70-140 кПа или такое, при котором скорость истечения металла из отверстия в ее днище составляет около 2 м/с. Струя металла проходит через замкнутое пространство с вакуу­мом или определенной атмосферой и попадает в трубу, по которой с такой же скоростью движется охлаждающая жидкость. Выбор охлаждающей жид­кости и ее температура зависят от тепловой мощности струи металла. Для экструзии металлов с температурой плавления до 700 °С (Al, Zn, Pb, Sn и др.) применяют воду, с температурой плавления 700 - 1000 °С используют 23 %-й водный раствор NaCl, с температурой плавления 1000 - 1800 °С - 21,6 %-й рас­твор MgClили 51 %-й раствор ZnCl2. Структура затвердевшего волокна зависит от температуры расплава и скорости его охлаждения, которая составляет 103­105 К/с.

В последнее время во все более увеличивающихся масштабах произ­водят волокна методами высокоскоростного затвердения расплава (ВЗР).

Существует разработанный почти 60 лет назад непрерывный способ получения тонкой и сверхтонкой проволоки (диаметром < 50 мкм) фонтани­рованием расплава, разновидностью которого является вытяжка волокон из капли жидкого металла, находящейся в стеклянной трубке-капилляре, под­вергаемой вытяжке в длинные нити; стеклянную оболочку с нити затем уда­ляют травлением.

Особого внимания заслуживает производство нитей диаметром < 1 мм продавливанием смеси порошка исходного материала со связующим через тонкие отверстия. Нити подвергают соответствующей обработке в зависимо­сти от рода связующего с целью его удаления. Таким способом готовят нити вольфрама, молибдена, циркония, бора, кремния, титана, оксидов, карбидов и других металлоподобных соединений.