Получение заготовок из порошковых, композиционных и неметаллических материалов

Металлокерамика

Порошковой металлургией называют область техники, охватывающую совокупность методов изготовления порошков металлов и изделий из них или их смесей с неметаллическими порошками без расплавления основного компонента.

Порошковая металлургия позволяет получать не только изделия различных форм (рисунок 5.31) и назначений, но и создавать принципиально новые материалы, которые другим путем получить или очень трудно или невозможно. У таких материалов можно получить уникальные свойства (жаропрочность, износостойкость, стабильные магнитные свойства, низкий или высокий коэффициент трения и др.). При этом способе в большинстве случаев коэффициент использования материала составляет около 100%.

Типовая технология производства деталей методом порошковой металлургии включает четыре основные операции:

- получение порошка исходного материала;

- формование заготовок;

- спекание;

- окончательную обработку.

Получение металлических порошков. Методы получения металлических порошков делят на механические и физико-химические, дающие возможность получать очень чистые шихтованные материалы.

При использовании механических методов исходный материал измельчается в порошок без изменения химического состава. К этим методам относятся: получение порошка размолом в шаровых, вихревых и вибрационных мельницах, грануляцией (распыление расплавленного металла газом или водой).

При физико-химических методах изменяется химический состав исходного сырья или его агрегатное состояние (восстановление окислов металлов газами или твердым восстановителем, электролиз водных растворов солей или распыленных сред, карбинольный метод и некоторые другие методы).

Методы получения порошков приведены в таблице 5.1

Таблица 5.1 Методы получения металлических порошков

Для грубого размельчения используют щековые, валковые и конусные дробилки и бегуны; при этом получают частицы размером 1…10 мм, которые являются исходным материалом для тонкого измельчения, обеспечивающего производство требуемых металлических порошков. Исходным материалом для тонкого измельчения может быть и стружка.

Для размола пластичных материалов используют процесс измельчения, в котором разрушающие удары наносят сами частицы измельчаемого материала. Для этого используют вихревые мельницы.

Распыление и грануляция жидких металлов является наиболее простым и дешевым способом изготовления порошков металлов с температурой плавления до 1600^о С: алюминия, железа, сталей, меди, цинка, свинца, никеля и других металлов и сплавов.

Сущность измельчения расплава состоит в дроблении струи расплава либо высоко энергонасыщенным газом или жидкостью, либо механическим распылением, либо сливанием струи расплава в жидкую среду (например, воду). В зависимости от свойств расплава и требований к качеству порошка распыление осуществляют воздухом, азотом, аргоном, гелием, а для защиты от окисления – инертным газом.

Наиболее часто применяемый физико-химический метод – восстановление металлов из окислов и солей. Простейшая реакция восстановления может быть представлена так:

где – любой металл; – неметаллическая составляющая (кислород, хлор, фтор, солевой остаток и др.) восстанавливаемого химического соединения металла; – восстановитель; – тепловой эффект реакции.

В качестве восстановителей используют – водород, окись углерода, диссоциированный аммиак, конвертированный природный газ, кокс, древесный уголь, металлы (кальций, магний, алюминий, натрий, кадмий и др.).

Железные порошки получают восстановлением окисленной руды или прокатной окалины. Железо в указанных материалах находится в виде окислов: Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO.

Медные, никелевые и кобальтовые порошки легко получают восстановлением окислов этих металлов, так как они обладают низким сродством к кислороду. Сырьем для производства порошков этих металлов служат либо окись меди Cu₂O, CuO, закись никеля NiO, окись-закись кобальта Co₂O₃, Co₃O₄, либо окалина от проката проволоки, листов и т.д.
Восстановление проводят в муфельных или в трубчатых печах водородом, диссоциированным аммиаком или природным газом. Температура восстановления сравнительно низка:

o меди – 400...500 ⁰С;

o никеля – 700...750 ⁰С;

o кобальта - 520..570^о С.

Длительность процесса восстановления 1...3 ч при толщине слоя окисла 20..25 мм. После восстановления получают губку, которая легко растирается в порошок.

Электролиз наиболее экономичен при производстве химически чистых порошков меди. Физическая сущность электролиза состоит в том, что при прохождении электрического тока водный раствор или расплав соли металла, выполняя роль электролита, разлагается, металл осаждается на катоде, где его ионы разряжаются

Ме+ne=Me

Сам процесс электрохимического превращения происходит на границе электрод (анод или катод) - раствор. Источником ионов выделяемого металла служат, как правило, анод, состоящий из этого металла, и электролит, содержащий его растворимое соединение.