4.5. Отримання порошків сплавів

4.5.1. Сумісне відновлення оксидів металів воднем

Цей метод застосовують у тих випадках, коли метали, що входять до складу сплаву, мають низьку спорідненість з киснем, наприклад Cu, Fe, Co, Ni, Mo, W. Можливе також сумісне відновлення оксидів металів комбінованим відновником з додаванням вуглецю.

Термодинамічні особливості отримання порошків сплавів майже такі самі, як і в разі отримання порошків окремих металів відновленням воднем, вуглецем, хоч у цьому випадку на константу рівноваги впливають активності металів сплаву.

Оскільки молібден і залізо утворюють тверді розчини, то в процесі відновлення, за низьких температур можуть виникати такі біваріантні системи рівноваги:

0,5 MoO₂ + H₂ = 0,5 Mo + H₂O(4.11)

0,25 Fe₃O₄+ H₂= 0,75 Fe + H₂O (4.12)

Для реакції (4.11) – це твердий розчин (Fe-M₀)-M₀O₂ – газова фаза і для реакції (4.12) – твердий розчин (Fe-M₀)-Fe₃O₄ – газова фаза. Константу рівноваги реакції (4.11) визначають із співвідношення:

де – активність молібдену, що визначається за формулою

;

Q – енергія змішування молібдену і заліза для твердого розчину, яка дорівнює 25 кДж/моль; – молярна частка молібдену в твердому розчині Fe–Mо. Для реакції (4.12) константа рівноваги

де – активність заліза у твердому розчині, що визначається за формулою

де – молярна частка заліза у твердому розчині Mо–Fe.

Значення констант рівноваги для вказаних систем наведено у табл. 4.2.

Аналіз термодинамічних характеристик у розглянутому випадку дозволяє зробити висновок про те, що в разі сумісного відновлення оксидів заліза і молібдену передусім відновлюються оксиди заліза. Оксиди молібдену починають відновлюватись після появи металевого заліза. Кінетичні закономірності процесу відновлення бінарної оксидної системи Fe₂O₃ – MоO₂ показано на рис. 4.12.

Таблиця 4.2

Константи рівноваги

Температура, К	К1	К2
500	2,52  10-3	1,58  10-2
600	1,51  10-2	5,90  10-2
800	1,10  10-1	2,58  10-2

Отже, для відновлення оксидних систем, у яких один з оксидів відновлюється легше, з’являється ефект взаємного впливу оксидів. При цьому важковідновлювальний оксид уповільнює до якоїсь міри відновлення легковідновлювального. У свою чергу, легковідновлювальний оксид, відновлюючись до металу, чинить каталітичну дію на відновлення важковідновлювального оксиду.

Рис. 4.12. Залежність ступеня відновлення від часу:

1 – Fe₂O₃ (250–300 C); 2 – MoO₂ (430 C);

3 – суміш MoO₂+Fe₂O₃ (Fe – 10 мол. %; 270 C)

Поряд з термодинамічними характеристиками на кінетику процесу сумісного відновлення оксидів металів і подальшого процесу сплавоутворення значно впливає площа контакту між компонентами вихідної шихти. Чим більша контактна поверхня, тим інтенсивніший процес сплавоутворення, оскільки лімітуюча стадія процесу отримання порошків сплаву – процес сплавоутворення, швидкість якого визначається швидкістю взаємної дифузії компонентів. Цей процес для сумісного відновлення оксидів характеризується відносно великою швидкістю, що спричиняється вищою активністю частинок металу, утвореного безпосередньо з оксидів, зумовленою недосконалостями кристалічної гратки.

Загалом процес сплавоутворення у разі сумісного відновлення оксидів має малу швидкість і отримані при цьому продукти не завжди гомогенні. Тому розглянутий метод не знаходить широкого застосування у практиці отримання порошків сплавів.