Химические способы.

Химические способы получения металлических порошков основаны на процессах восстановления металлов из окислов и других соединений. Восстановление производится в печах проходного типа. Порошки получаются высокой степени чистоты и дисперсности. Преимущественно используются такие восстановители как окись углерода, водород или природный газ, углерод (древесный уголь, кокс).

Восстановление углеродом. Технология разработана в ЦНИИЧМ. В качестве окисного сырья используется окалина проката малоуглеродистых сталей, а в качестве восстановителя используется коксовая мелочь или термоантрацитовый штыб:

Fe₃O₄+4C=3Fe+4CO.

Этот способ является высокопроизводительным для получения железного порошка промышленного назначения. Около половины мирового производства железного порошка получают именно этим способом.

Прямое восстановление железа из тонкоизмельченных железорудных концентратов. Этим способом получают порошки в "кипящем" слое; называется этот способ H-Jron процесс и используется в США. В качестве восстановителя используется газ - водород, содержащий около 3 % азота и следы СО и СH₄. Исходное сырье - магнезитовый железорудный концентрат, который после трехразового обогащения содержит 99,7 % Fe₃O₄ (72 % Fe), 0,17 % SiO₂ и следы серы и фосфора.

Восстановление железа из окалины комбинированным способом. Сущность метода состоит в восстановлении железа из окалины конвертированным природным газом и углеродом. Шихта, подвергаемая восстановлению, состоит из 80…81 % измельченной окалины углеродистых сталей, 9…10 % сажи и 10 % возврата железного порошка. Этот способ был разработан И.Д.Радомысельским и И.Н.Францевичем и является основным способом получения технических железных порошков в нашей стране.

Получение железного порошка из сульфатов железа (FeSO₄·7H₂O). Сульфаты железа образуются при травлении листовой стали в прокатных цехах металлургических заводов (в отходы уходит до 3 % обрабатываемого металла). Группой ученых А.Ф.Жорняка и др. разработана промышленная технология получения качественного железного порошка из этого сырья комбинированным восстановлением его в проходных муфельных печах.

Хлоридный способ получения железного порошка. Этот способ относится к химико-металлургическому способу и заключается в том, что железный порошок получают из низкосортного железного лома (стружка, губчатое железо и др.), растворенного в соляной кислоте. Выделяющийся в результате растворения водород используется в дальнейшем как восстановитель.

Содовой способ получения железных порошков относится к химико-металлургическому способу, разработан в ЦНИИЧМ и широко применяется в нашей стране и за рубежом. Подготовленный и измельченныйжелезно-рудный концентрат смешивают с 10…15 % кальцинированной соды, превращают в гранулы, отжигают при 800…850 °С в водороде и измельчают в порошок с размером частиц менее 0,2 мм.

Автоклавный способ получения порошков меди является ведущим способом. Он является высокопроизводительным и высокоэкономичным. Суть процесса заключается в восстановлении из раствора аммиачной комплексной соли водорода при температурах 170…200 °С и избыточном давлении 2,5 МПа и более. Этим способом получают порошки никеля, кобальта.

Автоклавный способ за рубежом является основным при производстве медных порошков, наиболее крупные по производительности установки находятся в США.

Способ газового восстановления является основным способом получения порошков легковосстановимых металлов из чистых окислов таких как вольфрам, молибден, кобальт, рений. Суть способа – переработка рудных концентратов газовым восстановителем: чистым водородом, получаемым электролизом воды.

Способ совместного восстановления смесей окислов легковосстановимых металлов. При этом используют окислы металлов для получения порошков сплавов типа железо-никель, железо-медь, никель-медь, вольфрам-никель, железо-вольфрам, железо-молибден, железо-никель-кобальт, железо-никель-молибден.

Способ восстановления гидридом кальция. Этот способ применяют для получения титанового порошка восстановлением двуокиси титана гидридом кальция. Восстановление протекает по реакции:

TiO₂+2CаH₂=Ti+2CaO+2H₂.

Карбонильный способ получения металлического порошка. Этот способ состоит из 2-х этапов. На первом этапе в колоннах синтеза окиси углерода (CO) с металлом (например, с никелем) при 150…200 °С и давлении до 20 МПа происходит образование газообразного карбонила металла Ni(CO)₄ по реакции:

Ni +4CO « Ni(CO)₄.

Затем в охлаждаемом водой змеевике газообразный карбонил металла превращается в жидкий и поступает в накопитель, где сохраняется под давлением около 0,5 МПа. На втором этапе жидкий карбонил распыляют в виде мельчайшего тумана внутри нагретой до 200…300 °С зоны разложения, представляющей собой вертикальный цилиндр, обогреваемый снаружи и снабженный в нижней части сборником для порошкового материала. Разложение карбонила сопровождается образованием тонкодисперсных, чаще всего сферических, металлических частиц слоистого строения по реакции, указанной выше, идущей в этих условиях справа налево.

Карбонильным методом можно получать порошки железа, никеля, кобальта, молибдена и др.

Способ испарения-конденсации. Этот способ отличается тем, что на первой стадии в газообразное состояние переводят не соединение металла, а сам металл. На второй стадии металлический пар превращается в тонкодисперсные твердые частицы, осаждаемые на охлаждаемой поверхности установки. Испарением-конденсацией получают тонкодисперсные порошки никеля, алюминия, кобальта, меди, магния, железа, марганца, вольфрама, цинка, олова, теллура, свинца, висмута, золота, серебра и многих других металлов.

Диффузионное насыщение порошков металлов и сплавов. Диффузионное насыщение применяется для получения порошков сталей и других сплавов, легированных трудно восстановимыми элементами. Металл-основа – порошок или губка насыщается легирующим элементом из газовой среды. Например, порошок хромистой стали можно изготовить путем насыщения железной губки или железного порошка хромом из твердых засыпок, содержащих хром, глинозем и хлорид аммония.

С целью равномерного насыщения металлических порошков трудно восстановимыми элементами разработан метод диффузионного насыщения из точечных источников, при котором последние размещаются равномерно внутри самого слоя насыщенного порошка. При этом отпадает необходимость в применении твердых засыпок, содержащих глинозем, уменьшается расход тепла и увеличивается коэффициент использования объема контейнера. Этим способом получают порошки сталей 40Х, Х6, Х13, Х30, Г13, Х23Н18, Х18Н9, Х18Н9Т, 2Х13НЧГ9 и нихрома Х20Н80.

Для получения порошков с металлическим покрытием в Японии разработан способ диффузионного насыщения, состоящий в том, что смесь насыщаемого порошка (железо, алюминий) и соли насыщающего металла (медь, никель, молибден, марганец) обжигают в восстановительной газовой среде.