Механические способы

К механическим способам относятся: размол исходного материала в мельницах (шаровых, вихревых, вибрационных), бегунах. Эти способы используются для получения порошков твердых и хрупких материалов.

К этой группе способов относится и получение порошков путем распыления жидкого металла струей воздуха или газа. Этот способ дешевле предыдущих и применяется для получения порошков из легкоплавких металлов.

Механические способы измельчения наиболее стары. Исходные материалы - кусочки мелко нарезанной проволоки, стружка механической обработки, обрезь, образующаяся при листовой штамповке.

Размол исходного материала в шаровых мельницах. Шаровая мельница (рис. 1) представляет собой барабан цилиндрической формы, частично заполненный шарами из твердого материала (белого чугуна, твердых сплавов).

В барабан загружают исходный, подготовленный к измельчению, материал. При вращении барабана шары падают, измельчают материал. В барабан с целью уменьшения трения между шарами и между частицами размалываемого материала, а также для интенсификации процесса в корпус мельницы заливается жидкость (спирт, ацетон, масло, вода, некоторые углеводороды и пр.). Количество жидкости должно быть таковым, чтобы она смогла закрыть верхний уровень шаров в мельнице; обычно оно составляет 0,15…0,25 литра на 1 кг размольных частиц.

Рис. 1. Шаровая мельница:

1 – корпус мельницы; 2 – шары; 3 – исходные материалы

 

Форма частиц в результате размола в шаровых мельницах обычно осколочная, т. е. неправильная. Порошки обладают слабо развитой поверхностью и большой насыпной плотностью.

Разновидностью шаровых мельниц являются вибрационные мельницы и аттриторы. Вибрационная мельница - укреплена на пружинном столе, который приводится в колебательное движение неуравновешенным электрическим мотором, установленном на том же столе.

В такой мельнице хорошо дробятся хрупкие металлы и сплавы (чугун, закаленная сталь, твердые сплавы). Недостатком размола в шаровых мельницах является загрязнение полученного продукта примесями, переходящими в него при истирании шаров.

Этот недостаток почти полностью устраняется в вихревой мельнице.

Размол исходного материала в аттриторах. Одной из разновидностей шаровых мельниц является так называемое аттриторное устройство (рис. 2).

Рис. 2. Аттриторное устройство: 1 – размольная емкость; 2 – рубашка охлаждения; 3 – мешалка; 4 – уровень размалываемого материала;

5 –размольные тела; 6 – лопасть мешалки

 

Размольные тела загружают в вертикально расположенный неподвижный барабан, внутри которого со скоростью 100 и более оборотов в минуту вращается вертикальная лопастная мешалка. Гребки, наклонно укрепленные на лопастях мешалки, обеспечивают циркуляцию размольных тел и истирание измельченного материала. Аттриторные мельницы конструктивно просты, удобны в эксплуатации и позволяют вести процесс измельчения непрерывно. В результате размола получают материал с более равномерным распределением частиц по размерам, нужная дисперсность достигается в несколько раз быстрее, чем в обычных шаровых вращающихся мельницах. Аттриторы весьма эффективны в случае приготовления ультратонкой порошковой смеси разнородных компонентов.

Размол исходного материала в вихревых мельницах. В закрытом корпусе 1 вихревой мельницы (рис. 3) установлены два пропеллера 2, вращающиеся навстречу друг другу.

Рис. 3. Схема вихревой мельницы

 

При этом создаются два встречных воздушных потока. Материал (стружка или кусочки проволоки) поступает из бункера 3 в корпус и измельчается; частицы металла падают на дно корпуса и отсасываются вентилятором 6, приводимым во вращение электродвигателем 7, и подаются в воздушный сепаратор 4, где происходит их классификация по крупности. Мелкие частицы попадают в приемник готового продукта 5, откуда выгружаются по мере накопления, а более крупные частицы через бункер снова возвращаются в корпус мельницы для повторного размалывания.

В процессе размола частицы сильно нагреваются, поэтому корпус делают с двойными стенками и между ними циркулирует вода для охлаждения. Для предохранения размалываемого материала от окисления внутри мельницы создают защитную газовую атмосферу. Порошки отжигают для снятия наклепа, а спекшуюся массу разбивают в молотковых мельницах и дробилках.

Производительность вихревой мельницы диаметром 2 м при скорости вращения пропеллеров 3 тыс. об/мин составляет 10…15 кг готового порошка в час. Расход энергии 2,5…3 кВт на 1 кг порошка.

Применяется этот способ для производства железных порошков.

К методам механического размельчения относится получение порошков путем распыления жидкого металла струей воздуха или газа (рис. 4).

Распыление жидкого металла производится в защитной среде инертных газов. Этот метод дешевле предыдущих и приемлем для легкоплавких металлов.

Струя жидкого металла 1 (рис. 4) вытекает из металлоприемника и попадает под действие поступающих через сопла 2 струй воздуха или газа, направленных под углом к вытекающему металлу. В результате происходит распыление жидкого металла, и затвердевшие частицы его 3 падают на дно сосуда. Металлические порошки, получаемые путем распыления жидкого металла, отличаются сравнительно шаровидной формой частиц, а это приводит к более низким значениям микротвердости и прочности в металлокерамических изделиях, изготовленных из такого материала.

К группе способов получения металлических порошков распылением струи жидкого металла также относятся:

- распыление инертным газом, содержащим контролируемые добавки кислорода в количестве 2...6 %. Этот способ применяется при производстве порошков трудновосстановимых металлов и сплавов, когда окисная пленка на поверхности распыленных частиц желательна, например порошков алюминия и некоторых его сплавов, предназначенных для изготовления теплостойких материалов, содержащих Al₂O₃;

- распыление сжатым воздухом в сухие бункера с последующим восстановительным отжигом распыленного порошка или без него; применяется при производстве легковосстановимых цветных металлов и сплавов (свинца, олова, бронзы);

- распыление сжатым воздухом в воду с последующим восстановительным или восстановительно-обезуглероживающим отжигом при производстве порошков меди, железа, сплавов на железной основе;

- распыление водой под высоким давлением при производстве порошков железа, легированных сталей и сплавов, используемых в производстве изделий прессованием-спеканием (отожженные порошки) и в сварочном производстве (порошки железа без дополнительного отжига);     

- распыление центробежной силой с использованием осевого и вращательного движений расплавленных заготовок;

- грануляция путем разрушения струи жидкого метала при падении ее на поверхность смачиваемого водой вращающегося металлического барабана или путем выдавливания жидкого металла через отверстия в дне вибрирующего стакана через отверстия калиброванных фильер (экструзия), или через поры специального керамического фильтра.

Рис. 4. Схема распыления жидкого металла газом

 

В настоящее время методами распыления получают порошки в нашей стране и за рубежом (в США, Англии, Японии, Австрии, Франции, Германии, Италии).

При производстве порошков сталей и сплавов, содержащих трудновосстановимые элементы, метод распыления жидкого металла инертным газом в инертную среду наиболее выгоден в технико-экономическом отношении. В нашей стране по этому принципу работает распылительная промышленная установка, предназначенная для производства легированных порошков. Производительность установки 30 кг/мин.; энергоносители - аргон под давлением 2,5 МПа и азот под давлением 3,5 МПа.

 

Химические способы.

Химические способы получения металлических порошков основаны на процессах восстановления металлов из окислов и других соединений. Восстановление производится в печах проходного типа. Порошки получаются высокой степени чистоты и дисперсности. Преимущественно используются такие восстановители как окись углерода, водород или природный газ, углерод (древесный уголь, кокс).

Восстановление углеродом. Технология разработана в ЦНИИЧМ. В качестве окисного сырья используется окалина проката малоуглеродистых сталей, а в качестве восстановителя используется коксовая мелочь или термоантрацитовый штыб:

Fe₃O₄+4C=3Fe+4CO.

Этот способ является высокопроизводительным для получения железного порошка промышленного назначения. Около половины мирового производства железного порошка получают именно этим способом.

Прямое восстановление железа из тонкоизмельченных железорудных концентратов. Этим способом получают порошки в "кипящем" слое; называется этот способ H-Jron процесс и используется в США. В качестве восстановителя используется газ - водород, содержащий около 3 % азота и следы СО и СH₄. Исходное сырье - магнезитовый железорудный концентрат, который после трехразового обогащения содержит 99,7 % Fe₃O₄ (72 % Fe), 0,17 % SiO₂ и следы серы и фосфора.

Восстановление железа из окалины комбинированным способом. Сущность метода состоит в восстановлении железа из окалины конвертированным природным газом и углеродом. Шихта, подвергаемая восстановлению, состоит из 80…81 % измельченной окалины углеродистых сталей, 9…10 % сажи и 10 % возврата железного порошка. Этот способ был разработан И.Д.Радомысельским и И.Н.Францевичем и является основным способом получения технических железных порошков в нашей стране.

Получение железного порошка из сульфатов железа (FeSO₄·7H₂O). Сульфаты железа образуются при травлении листовой стали в прокатных цехах металлургических заводов (в отходы уходит до 3 % обрабатываемого металла). Группой ученых А.Ф.Жорняка и др. разработана промышленная технология получения качественного железного порошка из этого сырья комбинированным восстановлением его в проходных муфельных печах.

Хлоридный способ получения железного порошка. Этот способ относится к химико-металлургическому способу и заключается в том, что железный порошок получают из низкосортного железного лома (стружка, губчатое железо и др.), растворенного в соляной кислоте. Выделяющийся в результате растворения водород используется в дальнейшем как восстановитель.

Содовой способ получения железных порошков относится к химико-металлургическому способу, разработан в ЦНИИЧМ и широко применяется в нашей стране и за рубежом. Подготовленный и измельченныйжелезно-рудный концентрат смешивают с 10…15 % кальцинированной соды, превращают в гранулы, отжигают при 800…850 °С в водороде и измельчают в порошок с размером частиц менее 0,2 мм.

Автоклавный способ получения порошков меди является ведущим способом. Он является высокопроизводительным и высокоэкономичным. Суть процесса заключается в восстановлении из раствора аммиачной комплексной соли водорода при температурах 170…200 °С и избыточном давлении 2,5 МПа и более. Этим способом получают порошки никеля, кобальта.

Автоклавный способ за рубежом является основным при производстве медных порошков, наиболее крупные по производительности установки находятся в США.

Способ газового восстановления является основным способом получения порошков легковосстановимых металлов из чистых окислов таких как вольфрам, молибден, кобальт, рений. Суть способа – переработка рудных концентратов газовым восстановителем: чистым водородом, получаемым электролизом воды.

Способ совместного восстановления смесей окислов легковосстановимых металлов. При этом используют окислы металлов для получения порошков сплавов типа железо-никель, железо-медь, никель-медь, вольфрам-никель, железо-вольфрам, железо-молибден, железо-никель-кобальт, железо-никель-молибден.

Способ восстановления гидридом кальция. Этот способ применяют для получения титанового порошка восстановлением двуокиси титана гидридом кальция. Восстановление протекает по реакции:

TiO₂+2CаH₂=Ti+2CaO+2H₂.

Карбонильный способ получения металлического порошка. Этот способ состоит из 2-х этапов. На первом этапе в колоннах синтеза окиси углерода (CO) с металлом (например, с никелем) при 150…200 °С и давлении до 20 МПа происходит образование газообразного карбонила металла Ni(CO)₄ по реакции:

Ni +4CO «Ni(CO)₄.

Затем в охлаждаемом водой змеевике газообразный карбонил металла превращается в жидкий и поступает в накопитель, где сохраняется под давлением около 0,5 МПа. На втором этапе жидкий карбонил распыляют в виде мельчайшего тумана внутри нагретой до 200…300 °С зоны разложения, представляющей собой вертикальный цилиндр, обогреваемый снаружи и снабженный в нижней части сборником для порошкового материала. Разложение карбонила сопровождается образованием тонкодисперсных, чаще всего сферических, металлических частиц слоистого строения по реакции, указанной выше, идущей в этих условиях справа налево.

Карбонильным методом можно получать порошки железа, никеля, кобальта, молибдена и др.

Способ испарения-конденсации. Этот способ отличается тем, что на первой стадии в газообразное состояние переводят не соединение металла, а сам металл. На второй стадии металлический пар превращается в тонкодисперсные твердые частицы, осаждаемые на охлаждаемой поверхности установки. Испарением-конденсацией получают тонкодисперсные порошки никеля, алюминия, кобальта, меди, магния, железа, марганца, вольфрама, цинка, олова, теллура, свинца, висмута, золота, серебра и многих других металлов.

Диффузионное насыщение порошков металлов и сплавов. Диффузионное насыщение применяется для получения порошков сталей и других сплавов, легированных трудно восстановимыми элементами. Металл-основа – порошок или губка насыщается легирующим элементом из газовой среды. Например, порошок хромистой стали можно изготовить путем насыщения железной губки или железного порошка хромом из твердых засыпок, содержащих хром, глинозем и хлорид аммония.

С целью равномерного насыщения металлических порошков трудно восстановимыми элементами разработан метод диффузионного насыщения из точечных источников, при котором последние размещаются равномерно внутри самого слоя насыщенного порошка. При этом отпадает необходимость в применении твердых засыпок, содержащих глинозем, уменьшается расход тепла и увеличивается коэффициент использования объема контейнера. Этим способом получают порошки сталей 40Х, Х6, Х13, Х30, Г13, Х23Н18, Х18Н9, Х18Н9Т, 2Х13НЧГ9 и нихрома Х20Н80.

Для получения порошков с металлическим покрытием в Японии разработан способ диффузионного насыщения, состоящий в том, что смесь насыщаемого порошка (железо, алюминий) и соли насыщающего металла (медь, никель, молибден, марганец) обжигают в восстановительной газовой среде.