Механические методы получения металлургических порошков

      Содержание

1 Общая характеристика  порошковой металлургии и свойства  порошков…….…..3

2 Механические методы получения порошков………………………………..……...7

Заключение…………………………………………………………………………….21

Список литературы…………………………………………………………………....22 

       1 Общая характеристика порошковой металлургии и свойства порошков 

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

      Из  имеющихся  разнообразных  способов  обработки металлов порошковая металлургия  занимает особое место, так как позволяет  получать не только изделия различных  форм и назначений, но и создавать  принципиально новые материалы,  которые другим путем получить  или очень трудно или невозможно.  У таких материалов можно получить уникальные свойства, я ряде случаев существенно повышается  экономические  показатели  производства.  При этом способе практически в большинстве случаев коэффициент  использования материала составляет около 100%.

      Порошки металлов применяли и в древнейшие времена. Порошки меди, серебра и  золота применяли в красках для  декоративных целей в керамике,  живописи во все известные времена. При раскопках найдены орудия из железа древних египтян (за  3000  лет до нашей эры),  знаменитый памятник из железа в Дели относится и 300 году нашей эры. До 19 века не было известно способов получения высоких температур  (около 1600-1800 С).  Указанные предметы из железа были изготовлены кричным методом: сначала а горнах  при  температуре  1000 С восстановлением железной руды углем получали крицу(губку),  которую затем многократно проковывали  в  нагретом состоянии,  а завершали процесс нагревом в горне для уменьшения пористости. На Киевской Руси железо получали за 1400 лет до новой эры.

      С появлением доменного производства от крицы отказались и о порошковой металлургии забыли.

      Заслуга возрождения порошковой металлургии  и превращения ее в особый технологический метод обработки  принадлежит  русским ученым П.Г. Соболевскому и В.В. Любарскому, которые в 1826 г., за три года до работ англичанина Воллстана, разработали технологию прессования и спекания платинового порошка.

      Типовая технология производства заготовки  изделий  методом порошковой  металлургии включает четыре основные операции: 1) получение порошка исходного материала; 2)формование заготовок; 3)спекание и 4) окончательную обработку,  каждая из указанных операций  оказывает  значительное  влияние   на   формирование свойств готового изделия.

        Спеченные антифрикционные материалы  позволили повысить надежность  и долговечность узлов трения, снизить потери на трение, заменить  дорогостоящие подшипники качения,  на подшипники скольжения или  баббиты и брынзы на железографитовые псевдосплавы. Разработка материалов твердыми смазками сделала возможным их применение в устройствах, где использование жидких смазок вообще не допустимо, например в пищевой промышленности, при высоких температурах.

         Пористые порошковые материалы широко используются в узлах трения, фильтрах, тепловых трубах, уплотнениях.

      Фрикционные порошковые материалы являются,  по существу, композиционными и состоят  из металлических и неметаллических  компонентов. Они имеют наиболее высокие фрикционные свойства и широко применяются.

      Электротехнические  материалы – контакты, магнитомягкие  и магнитотвердые материалы, инструменты  для электроэрозионной обработки, точечной и роликовой сварки –  находят все более широкое  применение в электротехнике, энерго – и аппаратостроении, автоматике и телемеханике, радиоэлектронике и других отраслях.

        Порошковые конструкционные материалы   являются наиболее распространенной  продукцией порошковой металлургии.. Потребность в них составляет  около 60% суммарной потребности в продукции порошковой металлургии.  

      Жаропрочные, жаростойкие и композиционные материалы  определяют развитие отраслей современной  техники, где без обеспечения  специальных свойств  невозможна эксплуатация машин и агрегатов: авиационной, ракетной техники, космонавтики, химического машиностроения. Для их нужд были созданы тугоплавкие металлы и сплавы, тугоплавкие соединения, получаемые в большинстве случаев только методами порошковой металлургии.

          Тугоплавкие и твердые бескислородные соединения  и материалы на их основе карбиды, бориды, нитриды, силициды и другие - находят применение благодаря своим уникальным свойствам во многих отраслях  промышленности, например инструментальной.

          Твердые сплавы -  важнейшие широко  распространенные порошковые материалы, при получении которых в полной мере реализуются возможности порошковой металлургии : получение композиционных материалов из компонентов с резко различной температурой плавления, достижение уникального комплекса физико – механических свойств, безотходная технология. Применяются твердые сплавы в инструментальной промышленности, буровой технике, при обработке давлением.

           Материалы для современной атомной  энергетике должны выдерживать  экстремальные механические и  термические нагрузки с одновременным  воздействием физических факторов, они используются в качестве поглощающих и замедляющих элементов, а так же топлива. Определенную их часть составляют порошковые материалы.

         Эрозионностойкие  материалы   должны сочетать разнообразные  и необычные свойства изделий и обеспечивать их работоспособность в очень тяжелых  условиях эксплуатации. Примером могут служить турбины, где наиболее напряженной деталью является сопловой вкладыш, рабочая температура на поверхности составляет 3500-3600°С.

           С увеличением связности частиц увеличиваются затраты на формирование изделий, но уменьшается вероятность взаимодействий материала с внешней средой и затраты на его защиту. Порошок, являющийся исходным материалом для ПМ, в этом отношении занимает промежуточное положение между жидкостью твердым телом , обладая совокупностью частиц текучестью, а в объеме каждой частицы – деформируемостью.

      Металлическим порошком - называется совокупность частиц металла, сплава или металлоподобного соединения размерами до миллиметра, находящихся в контакте и не связанных между собой.

       2 Механические методы получения порошков 

      Способы получения порошков делятся на механические и физико-химические.

      Механические  методы обеспечивают превращение исходного материала в порошок без заметного изменения его химического состава. Чаще всего используют измельчение твердых материалов в мельницах различных конструкций и диспергирование расплавов.

      К физико-химическим методам относят технологические процессы производства порошков, связанные с физико-химическими превращениями исходного сырья. В результате получаемый порошок по химическому составу существенно отличается от исходного материала.

      Механические методы получения порошков

      Основным  механическим методам получения  порошков относятся:

      1. Дробление и размол твердых материалов.

      Измельчение стружки, обрезков и компактных материалов проводят в шаровых, вихревых, молотковых и других мельницах, к.п.д. которых сравнительно невелик. Получают порошки Fe, Cu, Mn, латуни, бронзы, хрома, алюминия, сталей.

      2. Диспергирование расплава.

      Струю расплавленного металла диспергируют механическим способом (воздействием центробежных сил и др.) или действуя на нее потоком энергоносителя (газа или жидкости). Получают порошки алюминия, свинца, цинка, бронзы, латуни, железа, чугуна, стали.

      3. Грануляция расплава.

      Порошок образуется при сливании расплавленного металла в жидкость (например, в  воду). Получают крупные порошки  железа, меди, свинца, олова, цинка.

      4. Обработка твердых (компактных) металлов резанием.

      При станочной обработке литых металлов или сплавов подбирают такой  режим резания, который обеспечивает образование частиц, а не стружки. Получают порошки стали, латуни, бронзы, магния.

      Механическое измельчение компактных металлов широко распространено в порошковой металлургии. Измельчение может быть дроблением, размолом, истиранием. Наиболее целесообразно применять механическое измельчение при производстве порошков хрупких металлов и сплавов, таких как Si, Be, Cr, Mn, сплавы Al с Mg и др. Размол вязких пластичных металлов (Zn, Al, Cu) затруднен, так как они в основном расплющиваются, а не разрушаются.

      При измельчении комбинируют раздавливание и удар (при получении крупных частиц) и истирание и удар (при тонком измельчении). При дроблении затрачиваемая энергия расходуется на упругую и пластическую деформацию, на теплоту и на образование новых поверхностей. При дроблении под действием внешних сил в наиболее слабых местах тела образуются замкнутые или начинающиеся у поверхности трещины. Разрушение наблюдается тогда, когда трещины пересекают твердое тело по всему его сечению в одном или нескольких направлениях. В момент разрушения напряжения в деформирующемся теле превышают некоторое предельное значение (предел прочности материала).

      Работа, затрачиваемая на измельчение, представляет собой сумму s D S + KD . Слагаемое s D S - это энергия, расходуемая на образование новых поверхностей раздела при разрушении твердого тела (s - удельная поверхностная энергия, D S - происходящее при измельчении приращение поверхности). Слагаемое KD V - выражает энергию деформации (К - работа упругой и пластической деформации на единицу объема твердого тела, а DV - часть объема тела, подвергшаяся деформации).

      При крупном дроблении вновь образующаяся поверхность невелика. Поэтому s D S << KD V и расход энергии приблизительно пропорционален объему разрушаемого тела. При тонком измельчении вновь образующаяся поверхность очень велика и s D S >> KD V. Поэтому расход энергии на измельчение приблизительно пропорционален вновь образующейся поверхности.

      Среди методов измельчения твердых  материалов наибольшее распространение  получили обработка металлов резанием с образованием мелкой стружки или  опилок, измельчение металла в  шаровых, вихревых, молотковых и других мельницах, ультразвуковое диспергирование.

        В качестве примера рассмотрим  размол в шаровых мельницах.

      Простейший  аппарат для измельчения дробленых  твердых материалов - шаровая вращающийся мельница, которая представляет собой металлический цилиндрический барабан (Рисунок 1). Внутри барабана находятся размольные тела полиэдрической или округлой формы, чаще всего стальные или твердосплавные шары. При вращении мельницы размольные тела поднимаются на некоторую высоту в направлении вращения, затем падают или скатываются и измельчают материал, истирая его и раздрабливая. Соотношение между дробящим и истирающим действием размольных тел в мельнице зависит от отношения диаметра цилиндра D к длине цилиндра L при одинаковом объеме. При D:L>3 преобладает дробящее действие размольных тел (полезно для измельчения хрупких тел), при D:L<3 - истирающее действие (более эффективное для измельчения пластичных материалов).