Научные исследования

10 Сен, 16:21
Современные методы получения порошков тугоплавких металлов

Кроме традиционных способов формообразования, основанных на плавлении металла, последующем литье или деформировании слитков, в середине XIX в. возник принципиально новый способ изготовления деталей из порошков.

Метод получения различных материалов и готовых изделий из металлических порошков путем их прессования и спекания называется порошковой металлургией.

Однако прообразом порошковой металлургии можно считать кричный способ производства стали, при котором из-за недостаточности температуры в горне для расплавления больших объемов металла крупные изделия получали путем сваривания при ковке отдельных криц.

Начало современной порошковой металлургии относится к 1826 г., когда русские инженеры П. Г. Соболевский и В. В. Любарский разработали технологию изготовления изделий и монет из порошка тугоплавкой платины путем прессования в холодном состоянии и спекания. «Русский способ» нашел широкое распространение в Европе, но, когда научились плавить тугоплавкие металлы, временно прекратил свое существование.

Все способы получения порошков условно можно разделить на две группы: механические и физико-химические.

Эти способы характеризуются тем, что измельчение металла осуществляется без изменения химического состава, в результате воздействия внешних сил.

Механические способы, в свою очередь, делятся на две группы: измельчение в твердом состоянии и получение порошков из расплава металла. Измельчение в твердом состоянии производится обычно в шаровых, вихревых, вибромельницах и мельницах планетарно-центробежного размола.

В указанных мельницах, кроме вихревых, измельчение исходных материалов (стружка, опилки, грубые порошки) осуществляется путем дробления и истирания во вращающихся или вибрирующих барабанах между размалывающими телами (обычно стальные или твердосплавные шары).

Следствием этого является загрязненность получаемых порошков продуктами истирания размалывающих тел и футеровки барабана. Отмеченного недостатка лишены вихревые мельницы, в которых измельчение исходных материалов происходит в рабочей камере в мощном вихревом потоке, создаваемом вращающимися в противоположные стороны пропеллерами. Размер частиц при шаровом размоле колеблется в пределах 40 ... 300 мкм; при вихревом — 50 ... 200 мкм; в вибромельницах и планетарно-центробежных мельницах получают порошки размером до 60 мкм.

Общим недостатком способов измельчения в твердом состоянии является их низкая производительность Металлоподобные соединения разных металлов с углеродом (карбиды), кислородом (оксиды), азотом (нитриды), бором (бориды), кремнием (силициды), водородом (гидриды) обычно обладают высокой температурой плавления, а также высокими характеристиками твердости, упругости, химической стойкости, способностью к сверхпроводимости.

Наибольшее значение для техники имеют соединения тугоплавких металлов (Ti, Zr, V, Nb, Ta, Mo, W) c перечисленными металлоидами. Для производства металоподобных тугоплавких соединений обычно применяют восстановительные процессы и прямой синтез из элементов, в том числе самораспространяющийся высоко-температурный синтез (СВС) и золь-гель процесс.

Наиболее распространенным способом получения карбидов является науглероживание порошков оксидов металлов, или чистых металлов твердым углеродом. К порошку оксида металла или чистого металла добавляют углерод, обычно в виде сажи. Карбидизацию проводят в графито-трубчатых печах сопротивления в защитной газовой атмосфере (аргон, водород) или в вакууме.

В таблице 1 приведены свойства тугоплавких материалов.

Наименование металла

Символ

Номер

Атомная масса

Плотность, г/см3

Температура плавления, град

Титан

Ti

22

47,9

4,5

1665

Ванадий

V

23

50,94

6,11

1900

Хром

Cr

24

51,99

7,19

1903

Цирконий

Zr

40

91,22

6,45

1852

Ниобий

Nb

41

92,906

8,57

2470

Молибден

Mo

42

95,94

10,2

2620

Гафний

Hf

72

178,49

13,09

2222

Тантал

Ta

73

180,94

16,60

3014

Вольфрам

W

74

183,85

19,3

3410

Рений

Re

75

186,2

21,03

3180

Наиболее распространен борокарбидный способ, при котором металл взаимодействует с карбидом бора.Если в качестве исходного компонента используется оксид металла, то боросодержащим компонентом служит только карбид бора.

Процесс протекает по реакции 4МеО + В4С + 3С →4МеВ + 4СО в вакууме при 1500 – 1800oC.

В случае исходного компонента является бескислородное соединение металла, то в шихту дополнительно добавляют борный ангидрид (В2О3) для удаления углерода, связанного с В4С. В этом случае, из-за высокой летучести борного ангидрида, процесс приходится проводить при атмосферном давлении в графито-трубчатых печах.

Из-за высокой температуры процесса (1900 – 2000oC) происходитнеполное удаление углерода или даже науглероживание продукта до его содержания 0,5 – 2 %.

Наиболее хорошо разработан способ непосредственного азотирования металлов по реакции Ме + N → МеN. Температура азотирования 1100 – 1200oC, выдержка 1 – 2 ч.

Необходимо применять меры по предотвращению окисления исходных металлических порошков с высоким сродством к кислороду. В частности, требуется тщательная очистка азота от кислорода.

Основной способ получения гидридов – прямой синтез из элементов. К примеру, гидрид титана ТiH2 получают наводороживанием титановой губки при 900oC. После гидрировании полученный продукт подвергают измельчению.

Гидриды циркония получают обработкой порошка циркония в водороде при 400 – 800oC.

Наиболее распространен электроискровой (электроимпульсный) метод, при котором диспергирование металла происходит под действием электро- и гидро- или газодинамических сил, возникающих при взрывообразном протекании электрического разряда (10-40 кВ). Характерной его особенностью является значительная плотность выделяющейся в его канале энергии, высокая локальная температура среды при низкой интегральной температуре.

Процесс электроэрозии сопровождается образованием ультрадисперсных частиц, конденсирующихся из паровой фазы металла, а также частиц, «отрывающихся» от разрушенных материалов. Изменением параметров разряда регулируют крупность образующихся частиц, получающихся из жидкой металлической фазы. Частицы, вылетающие с большой скоростью из зоны разряда, резко охлаждаются в межэлектродной среде, что важно для формирования их структурных свойств.

Метод электроэрозии позволяет как разукрупнить порошки и гранулы, так и получать высокодисперсные порошки, а также композиционные материалы на их основе (например, системы М — С, М — О, М — N и др.). В последнем случае процесс ведут в активных средах, участвующих в реакциях с парами металлов.

В промышленных установках электрические разряды осуществляются в зернистом слое частиц диспергируемого материала. Благодаря массовости разрядов а рабочем объеме аппарата эти установки могут иметь высокую производительность (десятки килограммов в час). При этом к форме диспергируемых частиц нет особых требований, что даёт возможность переработки металлоотходов — стружки, скрапа.

Рис.2 Электроэрозионная установка для получения порошков: 1 — электрод; 2 — металлические гранулы; 3 — жидкость; 4 — источник тока

Перейти к списку всех исследований



Адрес: г. Хабаровск, Пассажирская улица, 16. Складской комплекс. Тел.: 8(4212)69-92-45
© 2012-2018

Екатеринбург | Самара | Челябинск | Чита | Хабаровск | Казань | Красноярск | Москва | Нижний Новгород | Омск | Пермь | Новосибирск | Санкт-Петербург | Краснодар | Калуга | Воронеж