Обработка порошковых материалов давлением

1.   Изменение поведения нелинейных механических систем: появление новых положений равновесия и видов движения, смена характера положений равновесия, изменение собственных частот малых колебаний.

2.   Эффекты перемещения и увода: сепарация частиц материла по свойствам, возникновение медленных потоков дисперсных сред, дрейф и локализация частиц в неоднородных полях периодических сил и взаимные микросмещения.

3.   Изменение под действием периодических сил реологических свойств дисперсных систем: кажущиеся превращения сухого трения в вязкое, снижение коэффициента сухого трения, кажущиеся изменения коэффициента вязкости и многие другие.

4.   Возникновение интенсивного механического взаимодействия между частицами и объемами многокомпонентных систем: разрыхление дисперсной среды.

2.Метод получения порошков.

      Общая характеристика методов получения порошков и их классификация.

Порошки- исходное сырье ПМ- не являются в большинстве случаев материалами, встречающимися в природе в свободном состоянии, а представляют собой вторичный продукт, на свойства которого влияет способ изготовления, поэтому теоретические основы их получения занимают важное место в процессах  ПМ.

   Физические основы измельчения материалов. Механическим измельчением можно превратить в порошок практически любой металл или сплав. Оно широко используется в ПМ. Под измельчением понимают уменьшение начального размера твердого тела путем разрушения его под действием внешних усилий, преодолевающих внутренние силы сцепления. В момент разрушения напряжения в деформируемом теле превышает некоторое предельное значение. Согласно теории дробления, предложенной П.А.Ребиндером, работа Εизм , затрачиваемая на измельчение: в общем случае яляется суммой двух энергий: энергии, затрачиваемой на образование новых поверхностей   dWs и энергии, расходуемой на деформацию объема dWν .

При крупном дроблении величина вновь образующейся поверхности невелика.

    Практика измельчения, обработка резанием. Специальное получение стружки или опилок для последующего изготовления из них изделий невыгодно и поэтому на практике его применяют крайне редко. Резание металла – сложный процесс взаимодействия режущего инструмента и заготовки, сопровождающийся рядом физических явлений. В срезаемом слое возникают вначале упругие, затем пластические деформации, приводящие к сдвигу и разрушению, то есть скалыванию элементарного объема металла под углом θ к направлению подачи и образованию стружки. Тип стружки зависит от свойств обрабатываемого материала. При обработке хрупких металлов образуется элементная стружка (надлома). На тип стружки влияет подача и скорость резания. При резании большинства углеродистых и легированных сталей по мере увеличения скорости резания стружка из элементной становится суставной затем сливной. Непосредственно после изготовления деталей может быть использована только стружка надлома. Известны примеры такого использования чугунной стружки. Специально для нужд ПМ получают стружку химически активных металлов. Получение магниевого порошка на кратцмашинах царапанием компактного магния стальными щетками.

       Измельчение в шаровых вращающихся, вибрационных и планетарных мельницах. Измельчение в шаровых вращающихся мельницах может быть самостоятельным способом превращения материала в порошок или дополнительной операцией при других способах получения порошков. В шаровой мельнице материал истирается между внутренней поверхностью барабана и внешней – шарового сегмента, между шарами или дробится ударами. Измельчение в шаровых вибрационных мельницах обеспечивает быстрое и тонкое измельчение таких материалов, как карбиды титана, вольфрама, кремния, хрома, бора, ванадия.Измельчение в вихревых мельницах применяется для пластичных металлов. Оно происходит за счет ударных и истирающих усилий, возникающих при соударении непосредственно измельчаемых частиц. Струйные мельницы отличаются тем, что энергоносителем в них является газ или перегретый пар поступающий из сопел со сверхзвуковой скоростью. Мельницы обеспечивают тонкое измельчение частиц до размеров 1-5мкм. Измельчение в планетарных центробежных мельницах (ПЦМ) обеспечивает тонкое измельчение трудноразмалываемых материалов эффективнее, чем в мельницах других типов. В гироскопических мельницах барабан вращается одновременно вокруг горизонтальной и вертикальной осей, движение шаров осуществляется аналогично ПЦМ.

 Измельчение ультразвуком. Измельчение ультразвуком производят в среде, где распространяются упругие волны, образующиеся при периодическом чередовании сжатия и разрежения этой среды с частотой свыше 16000 Гц  В жидкой среде возникает кавитация, то есть разрывы из- за действия  на жидкость растягивающих усилий. Диспергирование ведут в воде, спирте, ацетоне. Генерирование ультразвуковых колебаний производится с использованием магнитострикции и обратного пьезокварцевого эффекта.

      Диспергирование расплавов. Эти методы квалифицируются по трем признакам.

 ●  вид энергии, используемой для создания расплава: электрическая дуга, плазма, лазерный, индукционный нагрев.

 ● вид силового воздействия на расплав: гравитация, энергия газовых и водяных струй, центробежные силы, энергия газов и паров, выделяющихся из расплава, механическое, магнитогидродинамическое, ультразвуковое.

 ● среда реализации процесса плавления и диспергирования: окислительная, восстановительная, инертная, реакционная заданного состава, вакуум и другая.

        Основы теории, практика распыления – механические, электрические методы, распыления газовым потоком и водой. Механические методы распыления – струя металла, вытекающая из калиброванного отверстия, разрушается вращающимся диском. Для повышения эффективности диск может быть снабжен специальными выступами или отверстиями. Основная сложность – налипание металла на вращающиеся детали. Струя металла из плавильного агрегата попадает во вращающийся тигель с отверстиями в боковых стенах. Для получения гранул одинаковой величины размеры отверстий увеличиваются по мере удаления от дна тигля. Скорость обеспечения высокой скорости, необходимой для распыления  (до 18000 минˉ ¹ ) , сдерживает применение метода. Распыление расплава и закалка ( кристаллизация и приобретение формы частицами ) происходят в момент удара о водоохлаждаемую полированную поверхность экрана, что обеспечивает скорость охлаждения частиц. Высокоскоростное затвердение из расплава. Вращающимся медным диском извлекаются (экстрагируются ) ограниченные объемы металла и мгновенно затвердевают. В зависимости от формы кромки диска можно получать частицы чешуйчатой, игольчатой формы, волокна и др.

   Электрические методы Электроимпульсный метод заключается в воздействии электрического импульсного тока на струю пульпы или расплава. Накопитель энергии – конденсатор – заряжается от источника постоянного или переменного тока. При определенной величине заряда пробивается промежуток, и вся накопленная за время τ энергия выделится за время τ0  в рабочем промежутке и элементах цепи разрядного контура. Электродуговое распыление осуществляется следующим образом. Пруток металла, подлежащего распылению, служит катодом. Анод выполняется в виде водоохлаждаемого полого цилиндра. Используются также плазменные горелки с независимой или зависимой дугой, когда анодом служит распиливаемый материал.

     Распыление газовым потоком. В инженерном отношении возможно осуществление трех основных схем разрушения струи: соосным потоком газа, потоком под углом, поперечным потоком. При распылении струи расплава можно выделить три структурные зоны: не распавшуюся сплошную часть струи; зону разделения струи на отдельные волокна, пряди, нити, капли; зону окончательного формирования частиц, интенсивного протекания теплообменного  и  других  процессов.

    Распыления жидкостями. Высокая плотность энергоносителя, интенсивное охлаждение капель расплава, образование значительного количества пара в зоне непосредственного контакта жидкости с расплавом. В качестве распыляющей жидкости используется вода или масло. Распыляющий узел  форсунки должен обеспечивать возможность использования максимальной силы удара водяной струи, оно связано с длиной ее начального участка, величина которого определяется выходным диаметром насадки, давлением воды перед насадкой и степенью поджатия струи.

   Технология получения порошков распылением расплавов. Водой можно распылять низко – и высоколегированные сплавы распылением получают порошки быстрорежущих сталей. Получение порошков титана и его сплавов с низким содержанием кислорода и азота осуществляется в основном центробежным распылением в аргоне, гелии или вакууме. Получение порошков алюминия и магния. Распыление воздухом, азотом, инертными газами используют инжекционные форсунки, в которых металл поступает за счет разряжения возникающего у выхода из сопла при истечении газа из кольцевой щели под давлением 0,4 – 0,6 Мпа.

Физико–химические методы получения металлических порошков. Соединения галогениды металлов, которые восстанавливаются либо водородом, либо активными металлами (натрий и магний). Механизм восстановления большинства твердых соединений газообразными восстановителями основывается на адсорбционно – автокаталитической теории.

     Восстановители,  используемые при восстановлении порошков. Восстановителями служат газы ( водород, оксид углерода, диссоциированный аммиак, природный конвертируемый, водяной, коксовый или доменный газы, эндогаз), твердый углерод (кокс, древесный уголь, сажа ) и металлы. Выбор восстановителя зависит не только от термодинамических оценок, но и от летучести, которая должна быть минимальной, так как иначе процесс нужно вести при повышенном давлении за счет аргона или других инертных газов.

   Железный порошок  - основа многотоннажной ПМ. Существуют методы получение порошков из FeCl2. Восстановленный водородом железный порошок имеет высокую чистоту и стоимость.

  Восстановление оксидом углерода проводится при температурах выше 1000    ºС  на основе адсорбционно – каталитического механизма. Восстановление твердым углеродом  происходит при 900-1000ºС.

    Содовый метод применяется для получения порошка повышенной чистоты. В шихту добавляют 10 – 20% соды с которой при восстановлении взаимодействуют примеси, образуя растворимые в воде натриевые алюминаты.

 Физические методы – облучение (нейтронное, ультразвуковое), кристаллографические превращения, высокие давления. Облучение может активизировать порошок, создавая избыточные точечные дефекты, а также активировать процесс, вызывая генерирование точечных дефектов и неустойчивые состояния границ. С увеличением давления коэффициент диффузии понижается.

К химическим методам активирования порошков  можно отнести все способы, обеспечивающие получение дисперсных частиц, например осаждение из растворов, восстановление смесей солей, выпаренных из растворов, синтез в плазме, синтез нестехиометрических соединений, а к химическим методам активирования процесса спекания – легирование металлами и соединениями, воздействие газовых сред, сублимацию. Различают три вида спекания: с высокой скоростью усадки, переменной малой.

   Сверхпластичность пористой структуры. Сверхпластичность способность материала к большим равномерным пластическим деформациям без нарушения внутренней сплошности, появляющаяся при высоких гомологических температурах под влиянием очень низких, сильно зависящих от скорости деформации напряжений.

    Влияние технологических факторов на спекание. Температура спекание – основной фактор, и в зависимости от нее процесс спекания формовок из однокомпонентных порошков можно разделить на три этапа. Ультрадисперсные порошки внутреннее спекание для них может сопровождаться появлением монокристалла, размеры которого существенно превосходят размеры частицы.

Механическое легирование – образование суперсплава при длительном совместном смешивании и механическом измельчении его компонентов.