Лабораторная работа №16

Методы получения и свойства порошковых материалов

Цель работы. Изучить основные способы получения металлических порошков и их свойства.

Теория.

Металлокерамика, или порошковая металлургия – отрасль технологии, занимающаяся производством металлических порошков и деталей из них. Сущность порошковой металлургии заключается в том, что из металлического порошка или смеси порошков прессуют заготовки, которые затем подвергают термической обработке спеканию.

1.Методы получения порошковых материалов

Все имеющиеся методы получения порошков можно разделить на две основные группы:

1)физико-химические методы (изменение химического состава сырья или его агрегатного состояния);

2)механические методы (при механическом измельчении химический состав исходного сырья не меняется).

Как правило, деление методов получения порошков на две группы условно. Например, роль физико-химических процессов в механических методах довольно ощутима (окисление продуктов измельчения). В то же время при физико-химических методах получения порошков заключительной стадией является механическое измельчение.

1.1.Механические методы получения порошков

Под измельчением понимают уменьшение начального размера частиц материала путем их разрушения под действием внешних усилий, преодолевающих внутренние силы сцепления. Измельчение осуществляют дроблением, размолом или истиранием.

Наиболее целесообразно применять механическое измельчение при производстве порошков хрупких металлов и сплавов, таких как кремний, бериллий, сурьма, хром, марганец, ферросплавы, сплавы алюминия с магнием и др.

При дроблении твердых тел, затрачиваемая энергия расходуется на упругие и пластические деформации, выделение теплоты и образование новых поверхностей, которое является конечной целью размола. Согласно теории дробления, разработанной академиком Ребиндером, работа затрачиваемая на измельчение, является суммой энергий:

,

где – энергия, расходуемая на образование новых поверхностей раздела при разрушении твердого тела; - удельная поверхностная энергия; ∆S – приращение поверхности при измельчении. – энергия деформации; – работа упругой (пластической) деформации единицы объема твердого тела;

∆V – объем тела, подвергшегося деформации.

Среди механических методов получения порошков наибольшее распространение получили следующие:

-обработка металлов резанием с превращением их в мелкую стружку или опилки;

-измельчение металла в шаровых, молотковых, вихревых и др. типах мельниц;

-диспергирование расплавов.

1.2.Обработка металлов резанием

Этот метод на практике целесообразно применять для получения порошков металлов, которые весьма активны по отношению к кислороду (например, магниевых порошков). Порошок магния можно получить обработкой компактного магния на фрезерных станках специальной конструкции. Фрезерование ведут с большой скоростью (30-40 м/с) сразу двумя фазами – вертикальной и горизонтальной, что обеспечивает получение порошка с частицами размером Отфрезерованный порошок отсасывается в циклон и поступает на вибрационный грохот для разделения на фракции.

Измельчение в шаровых вращающихся мельницах.

Шаровая вращающаяся мельница является простейшим оборудованием для размола и представляет собой цилиндрический барабан, внутри которого находятся размольные тела (стальные и твердосплавные шары).

Соотношение между дробящим и истирающим действием шаров в мельнице в значительной степени определяется отношением диаметра барабана к его длине При преобладает дробящее действие шаров, при – истирающее. Поэтому для измельчения твердых и хрупких материалов это отношение должно быть больше трех, а для измельчения пластичных материалов – существенно меньше трех.

На интенсивность и механизм размола важное значение оказывают скорость вращения мельницы, количество размольных тел и их форма, масса материала, загруженного на измельчение, продолжительность и среда размола.

Чтобы ускорить процесс размола, особенно при измельчении хрупких материалов, его проводят в жидкой среде, которая препятствует распылению материала и обратному слипанию тонких частиц за счет диэлектрических свойств. Проникая в микротрещины, жидкость создает большое капилярное давление, что способствует измельчению. Жидкость также уменьшает трение как между шарами, так и между частицами размалываемого материала. Жидкой средой обычно служит спирт, ацетон, жидкие масла, вода углеводороды и т.д.

Форма частиц, получаемая в результате размола в таких мельницах, обычно осколочная. причем шероховатость частиц мала. Степень измельчения частиц в мельницах составляет 50-100 (соотношение средних размеров частиц порошка до и после размола).

Диспергирование расплавов

Классификацию методов диспергирования обычно проводят на основе трех признаков: вид энергии, используемой для создания расплава, вид силового воздействия на расплав при диспергировании, среда реализации процесса плавления и диспергирования.

К первому признаку относятся электрическая дуга, плазма, лазерный, электронный или индукционный нагрев.

Ко второму – силы гравитации, энергия газовых и водяных струй, центробежные силы, энергия газов, паров, выделяющихся из расплава, сила механического воздействия, магнитогидродинамические силы, воздействие ультразвука и т.д.

К третьему – окислительная, восстановительная, инертная среда водяного состава, вакуум и т.д.

Процесс диспергирования можно рассматривать как разрушение и измельчение объема жидкого металла механическим путем, а также газовой или водяной струей. Дробление струи расплава, т.е. размер получаемых порошков, зависит от многих факторов, основными из которых являются:

1)диаметр и форма струи потока расплава;

2)физическая природа расплава;

3)поверхностное натяжение и вязкость расплава;

4)мощность газового или водяного потока;

5)температура газовой или водяной среды;

6)среда распыления.

Распыление жидкого металла воздухом или газом применяется для получения порошков железа, быстрорежущей или нержавеющей сталей, латуни, бронзы, меди, олова, цинка, свинца, ферросплавов.