3.5. Технологічні особливості отримання порошків розпиленням

У практиці порошкової металургії для отримання порошків металів і сплавів розпиленням використовують різноманітні технологічні процеси, в яких основним обладнанням є установка для розпилення, загальну схему якої показано на рис. 3.9. Особливості конструкції вузлів установки для розпилення залежать від виду розпилюваного матеріалу й енергоносія, застосовуваного при цьому.

Рис. 3.9. Схема установки для розпилення розплавів:

1 – камера розпилювання; 2 – кришка камери; 3 – екран;

4 – витяжна труба; 5 – форсунка; 6 – манометр;

7 – металоприймач; 8 – спостережуваний отвір

Найвідповідальніший вузол установки для розпилення – форсунка, яка може бути пневматичною (розпилення газом) та гідравлічною (розпилення рідиною). Пневматичні форсунки залежно від швидкості витікання газу з них можуть бути дозвукові й надзвукові. Перевага надається останнім, оскільки у цьому випадку процес розпилення інтенсифікується і стабілізується. У свою чергу, зазначені форсунки можна використовувати для розпилення гарячим і холодним дуттям. Переваги гарячого дуття розглянуто вище. Крім того, застосування форсунок гарячого дуття запобігає налипанню та набризкуванню металу на торець форсунки, оскільки температура дуття зазвичай перевищує температуру розплаву. Такі форсунки найчастіше застосовують для розпилення легкоплавких металів: олова, цинку, алюмінію, свинцю, сполук на основі свинцю та ін.

Для розпилення холодним дуттям сплавів на основі заліза та міді використовують форсунку (рис. 3.10, а).

Рис. 3.10. Схема форсунок для розпилення розплавів газами:

1 – струмінь металу; 2 – камера із соплами; 3 – газовий потік

Також можна використовувати форсунку, схему якої показано на рис. 3.10, б. При цьому диспергуються декілька струменів металу. Форсунка складається з двох трубкових камер з розміщеними в декілька рядів круглими соплами, які формують два пласкі газові потоки, напрямлені під кутом до струменів металу. Така форсунка характеризується надійністю і забезпечує високу продуктивність.

Розпилювальні камери відіграють важливу роль у формуванні потрібних властивостей порошку. Існують два типи камер: сухого розпилення, у яких продукт розпилення охолоджується в середовищі газу, та мокрого розпилення, у яких охолодження відбувається у воді.

Камери сухого розпилення застосовують для виробництва порошків з розплавів розпиленням їх повітрям (для малоактивних металів) чи інертним газом (для легованих сталей і активних металів). Така схема розпилення не потребує сушки порошків і відновлювального відпалу. До недоліків варто віднести великі габарити (висота) і складність системи газоочищення і регенерації газу.

Камеру мокрого розпилення застосовують для розпилення газом у воду і водою у воду малоактивних металів, а також активних з подальшим відновлювальним відпалом. Її перевага – малі габарити, система газоочищення простіша або її немає, недоліки – потреба в проведенні операцій зневоднення, сушіння і відпалу порошку, а також в очищенні води від тонкої фракції порошків.

Розглянемо основні етапи процесу отримання порошку розпиленням.

Підготування розплаву. Для підготування розплаву зазвичай використовують індукційні плавильні печі, а як вихідну сировину – шихту або крап, склад яких подібний до складу отримуваного порошку. Виплавляють вихідні сплави потрібних складів традиційними металургійними методами.

Розглянемо основні етапи процесу отримання порошку розпиленням.

Підготування розплаву. Для підготування розплаву зазвичай використовують індукційні плавильні печі, а як вихідну сировину – шихту або крап, склад яких подібний до складу отримуваного порошку. Виплавляють вихідні сплави потрібних складів традиційними металургійними методами.

Підготований до розпилення розплав перегрівають на 150...200 С вище лінії ліквідусу з метою поповнення теплових витрат під час транспортування його до зони розпилення, а також зниження в’язкості і поверхневого натягу, які істотно впливають на процес диспергування і формування властивостей порошку.

Готовий розплав виливається у підігрітий до температури, наближеної до температури плавлення матеріалу, металоприймач і звідти витікає в зону розпилення.

Важливе значення для розпилення має діаметр струменя металу. Для забезпечення високого ступеня диспергування необхідно забезпечити мінімально можливий діаметр струменя, який залежить від температури плавлення матеріалу і його в'язкості. Для розпилення різних металів і сплавів рекомендуються такі діаметри струменів розплаву, мм:

– заліза і сплавів на його основі – 9…12;

– міді, латуні і бронзи – 7…10

– алюмінію – 6…9

– олова, свинцю, цинку, сплавів на їх основі – 4…7.

Обмеження по діаметру струменя зумовлені можливістю переохолодження розплаву в каналі витікання і його закупорення.

Розплав, що надійшов у камеру, піддається розпиленню. Енергоносій для розпилення вибирають згідно з вимогами до властивостей порошку. Як гази для розпилення застосовують аргон, азот і повітря. При цьому можливе розпилення в аналогічне газове середовище чи рідину.

Аргон унаслідок високої вартості та великих витрат у разі його використання на розпилення застосовують тільки для отримання порошків прецизійних сплавів, коли небажаний контакт розплаву з киснем і азотом повітря. На практиці розпиленню аргоном піддаються розплави швидкорізальних сталей, жаростійких сплавів, а інколи й високочистого алюмінію.

Азот застосовують для розпилення сплавів на основі кольорових металів і нікелю тоді, коли необхідно отримати сферичну форму частинок з малим умістом кисню, що не потребують подальшого відпалу.

Найширшого застосування як газового енергоносія набуло повітря. Розпилення провадять здебільшого у воду, але не виключено і розпилення в повітря.

Розпилення повітрям у воду широко застосовують для виробництва технічного чистого заліза із синтетичного чавуну. Повітрям у повітря можна розпилювати бронзу, мідь, алюміній, олово, свинець, цинк. При цьому зазвичай отримують частинки порошку зі сферичною формою (рис. 3.11, а).

Застосування як енергоносія рідини (води) найчастіше пов’язано з потребою отримання порошків високої щільності з неправильною формою частинок (рис.3.11, б) та малим ступенем окиснення. Водою можна розпилювати розплави неіржавійних сталей, заліза, кольорових металів, сплавів на основі міді, нікелю, олова. При цьому у воду іноді добавляють пасивувальні домішки, які утворюють на поверхні частинок захисні плівки, що перешкоджають їх окисненню під час сушіння.

Рис. 3.11. Порошок міді, отриманий розпиленням повітрям (а)

та водою (б)

Правильний вибір енергоносія – неодмінна, але недостатня умова для отримання порошків з потрібними властивостями. Потрібно також забезпечити необхідні параметри енергоносія – тиск і витрати, що забезпечують потрібну критичну швидкість витікання енергоносія.

Тиск газу під час розпилення становить 0,2…2,0 МПа, а рідини – 6,0…10,0 МПа. Витрачання газу на кілограм розплаву – 0,4…1,0 м³. При цьому, чим більша в’язкість розплаву, тим більше витрачання газу.

Режими й умови отримання деяких порошків наведено в табл. 3.9.

Серед перспективних і спеціальних методів отримання порошків варто відзначити центробіжне розпилення, наприклад за допомогою обертового електрода. Для розпилення використовують електроди, виготовлені з вихідного матеріалу діаметром 50…75 мм. Електрод, що обертається зі швидкістю до 20000 об/хв, оплавлюється за допомогою водоохолодного електрода чи плазмового струменя. Утворений розплав центробіжними силами диспергується й охолоджується у вільному польоті. Отримані частинки мають сферичну форму. Розмір частинок залежить від діаметра електрода та кількості його обертів:

,

де – кутова швидкість обертання електрода;D – діаметр електрода; – густина матеріалу електрода; – поверхневий натяг розплаву матеріалу;А – постійна, А = 3…3,5.

Таблиця 3.9