Металлургия
Относительный объем про-ва в долях от объема порошка железа
Относительная стоимость металлических порошков
Способы получения
Способы получения порошков
Механическое измельчение
Тонкое механическое размельчение
Измельчение в дробилках
Измельчение в шаровых мельницах
Параметры, влияющие на процесс измельчения
Вибрационные шаровые мельницы используют для тонкого измельчения твердых сплавов, карбидов и др. тугоплавких соединений
Механомеханический синтез
Размер частиц зависит:
Пример
Механосинтез/ механическое легирование
Уникальное достоинство способа
Криопомол
Положительная сторона механических способов
Недостатки метода
Лекция_2_2
Методы распыления струи расплава
Методы распыления струи расплава
Методы распыления струи расплава
Распыление струи потоком инертного газа или жидкости
Контактное охлаждение при помощи водоохлаждаемого диска или барабана.
Электрогидродинамическое распыление
Лекция_2_3
Физическое осаждение
Устройство для осаждения
Сущность способа :
Разновидности метода физического испарения
Термическое испарение
Способы нагрева:
Испарение лазером
Характеристика метода
Способ получения наноматериалов путем электрического взрыва проволок
Схема получения порошка взрывным испарением из проволоки
Таким способом получают нанопорошки
Испарение в потоке инертного газа (Левитационно-струйный метод)
1.67M
Категория: ФизикаФизика

Современные технологии порошковой металлургии

1.

Современные технологии
порошковой металлургии
Лекция_2
• Производство порошков

2.

ПМ начинается с
производства
порошка
• Размер частиц от
0.01 до 1000 мкм
• Наиболее
употребляемый 25-200мкм
• Форма частиц:
пластинчатая,
сферическая,
осколочная,
губчатая,
дендритная

3. Металлургия

• Область науки и техники,
охватывающие процессы получения
металлов из руд и других видов сырья,
а также процессы, связанные с
получением сплавов и изделий их них.

4. Относительный объем про-ва в долях от объема порошка железа

Годовой объем про-ва
• металлических порошков в мире – 1.2млн.т,
• изделий -900тыс.т

5. Относительная стоимость металлических порошков

6. Способы получения

Механические
• Размол твердых материалов
в дробилках и мельницах
• Диспергирование
• Распыление металлического
расплава
Физико-химические
• Технологические процессы
с глубокими превращениями
исходного сырья:
- Восстановление оксидов и
др.соединений;
- Электролиз;
- Химическая диссоциация
• Комбинированные методы
- Измельчение спеков химически восстановленных
порошков
- Получение порошков гидрида титана: насыщение
водородом стружки или кусков отхода
водородом+измельчение

7.

8. Способы получения порошков

9.

10. Механическое измельчение

• разрушение материала путем раздавливания,
резания, истирания, удара или при
комбинации методов
• Наиболее целесообразно применять для
хрупких металлов и сплавов
(кремний, хром, марганец, бериллий, чугун…)
• Размол пластичных материалов
сопровождается деформацией
(алюминий, медь, цинк, железо)

11. Тонкое механическое размельчение

• предварительное измельчение на
стандартном технологическом оборудовании:
щековых и молотковых дробилках (размер
более 1мм);
• затем на размольном оборудовании с
жерновами (0,1мм)
• Тонкое и ультратонкое измельчение с
применением мельниц.

12. Измельчение в дробилках

• Первичное измельчение
кускового материала
производят в дробилках:
- щековых,
- валковых
- конусных
1-4мм
До 1 мм
До 1мм

13.

Для тонкого помола • При использовании мельниц
уменьшение частиц происходит в
используются
результате раздавливания между
рабочими органами мельницы.
• шаровые,
• В зависимости от вида материала
• вибрационные,
и требуемых свойств НП
• планетарные и другие используются мельницы :
мельницы.
• планетарные,
• шаровые
• вибрационные.
• Средний размер – от 5-200 нм.

14. Измельчение в шаровых мельницах

Простейшая мельница
• цилиндрический барабан,
внутри которого находятся
размольные тела в форме
шаров
• При вращении размольные
шары поднимаются на
некоторую высоту и
падают, дробя и истирая
измельчаемый материал.
• D/L> 3 –дробящее действие
шаров; хрупкие материалы;
D/L<3 –истирающее ,
пластичные материалы
• D – диаметр барабана; L-его
длина

15. Параметры, влияющие на процесс измельчения

• Размер шаров
• Масса шаров
• Отношение массы ш к
массе материала
• Время измельчения (от
нескольких часов до
нескольких суток)
• Добавление жидкости
для интенсификации
размола
• d шара не должен превышать
5-6% от D барабана
• 1,7-1.9кг стальных шаров на 1л
объема
• Коэф заполнения (μ) барабана
шарами не более 0.4-0.5. При
μ <0.4 –снижается
производительность
μ>0.5 –шары сталкиваются,
снижается эффективность

16. Вибрационные шаровые мельницы используют для тонкого измельчения твердых сплавов, карбидов и др. тугоплавких соединений

• Технологические
различия мельниц:
- сухой;
- мокрый помол
▪Конструктивные признаки:
- форма корпуса;
- Конструкция опор;
- Система
загрузки/выгрузки и др.
• Технологические
параметры размола
устанавливаются
эмпирическим путем с
учетом св-в
измельчаемого
материала и степени
дисперсности

17.

Схемы мельниц для тонкого измельчения
а – вращающаяся шаровая
(падающие шары)
б-вибромельница (пульсирующие
шары; амплит-2-4мм; частота
до 3000 1/мин)
в – аттриктор, истирающий
продукт вращающимися
пальцами
г – струйная, измельчаящая во
встречных пучках
д– дезинтегратор, измельчающий
продукт вращающими
навстречу пальцами
1- мелющие шары или пальцы
2 - сырьё

18. Механомеханический синтез

Процессы при помоле не являются
чисто механическими:
• Электромеханические явления
• Атомное перемешивание
• Химические реакции внутри отдельных
частиц
• Механоактивация поверхности.
18

19. Размер частиц зависит:

• от температуры
плавления металла
• Чем больше
температура
плавления металла
и больше время
• времени помола
помола,
(от нескольких часов
до нескольких суток) • тем меньший
размер частиц
может быть
достигнут.
19

20. Пример

• при одинаковых условиях помола
минимальный размер частиц
• алюминия (температура пл. 660°C) 20нм,
• вольфрама(температура пл. 3395 °C)6нм
20

21. Механосинтез/ механическое легирование

• Разновидность
механического измельчения
в процессе измельчения
происходит взаимодействие
измельчаемых материалов с
получением измельченного
материала нового состава.
Так получают нанопорошки
• Тугоплавких сплавов
сплавов
интерметаллидов,
• дисперсноупрочненных
композитов
• размер частиц 5...15 нм.
21

22. Уникальное достоинство способа

• за счет взаимодиффузии
в твердом состоянии
возможно получение
«сплавов» таких
элементов, взаимная
растворимость которых
при использовании
жидкофазных методов
пренебрежимо мала.
• Получены УДП
многих тугоплавких
металлов:
• TiN,TiC,
• ZrN, NbC и др.
• Композиты
Al2O3+Fe(NiCr)
22

23. Криопомол

• Особенно мелкие
частицы получаются при
помоле металлических
порошков в среде
жидкого азота или
аргона (криопомол).
Это связано с
увеличением хрупкости
металлов при понижении
температуры.
• Нанопорошки,
полученные в среде
жидкого азота, покрыты
тонкой поверхностной
оксидно-нитридной
пленкой, вследствие чего
они обладают
повышенной стойкостью к
спеканию и сохраняют
размер частиц при
нагревании до 900-950°С.
23

24. Положительная сторона механических способов

• сравнительная простота установок/технологии
• возможность измельчать различные
материалы и получать порошки сплавов,
• возможность получать материал в
большом количестве.
24

25. Недостатки метода

• возможность загрязнения измельчаемого
порошка истирающими материалами;
• трудности получения порошков с узким
распределением частиц по размерам;
• сложности регулирования состава продукта
в процессе измельчения
• Большие затраты энергии.
25

26. Лекция_2_2

Методы распыления струи
расплава

27. Методы распыления струи расплава

• Промышленное про-во порошков началось в
середине ХХвека.
• В настоящее время - 500тыс.т:
железо, алюминий, медь, свинец, цинк, титан,
цирконий, молибден, вольфрам,сплавы на их основе и
др.
• Особенно эффективны при получении
высоколегированных и многокомпонентных сплавов
/однородность и дисперсность

28. Методы распыления струи расплава

• Вид источников нагрева:
- индукционный;
- лазерный;
- плазменный и др.
• Тип силового воздействия на расплав
- потоков газа; жидкости;
- центробежных сил…
● Тип среды: вакуум, окислительная, инертная,
восстановительная.

29. Методы распыления струи расплава

• Размер частиц ~100нм.
• Жидкость
- вода, спирт, ацетон
• Газ:
- азот, аргон и др.
• получаемые порошки с
размером частиц
0,5-10мкм имеют
нанокристаллическую
структуру, т .е
• могут считаться
наноматериалами,
технология получения
– нанотехнологией.
29

30.


Для получения частиц с размером 110нм используют двойное распыление:
• Расплав сначала насыщают под высоким
давлением растворимым газом
• Разбрызгивают его и диспергируют
нерастворимым газом.
• Быстрое охлаждение капель приводит к
взрывообразному выделению растворенного
газа и их разрушению на более мелкие
частицы.
30

31. Распыление струи потоком инертного газа или жидкости

Известны схемы
• с соосным (а)
• перпендикулярным (б)
потоком распыляющей среды.
1 - расплав,
2 – нагреватель,
3 – инертный газ,
4 – капля расплава,
5 – диспергированный
материал.
31

32. Контактное охлаждение при помощи водоохлаждаемого диска или барабана.

• Этот метод основан на
подаче расплава на быстро
вращающийся
водоохлаждаемый диск или
барабан из материала
высокой теплопроводности
(медь).
• Поверхность диска
шероховатая/ зубчатая (а).
а – при помощи водоохлаждения
б – ударное распыление
• Порошок хлопьевидный
• Такая форма приводит к
неоднородной структуре
наноматериала.
• Поэтому дополнительно
измельчают - недостаток.
1 – охлаждаемый барабан/диск
2 – лопатки, 3 – капли расплава,
4 – частицы порошка, 5 - тигель
32

33. Электрогидродинамическое распыление


Для распыления используют
электростатические силы.
Струя 1 подаётся в сопло 2 с
d=80 мкм, перед которым
расположен кольцевой
электрод 3 с напряжением 320кВ.
Из сопла вылетают
положительно заряженные
мелкие капли расплава 4,
образующие при охлаждении
частицы порошка 5
Размер – от 100нм -10мкм.
Недостаток – низкая
производительность (2г/ч с
одного сопла)
33

34. Лекция_2_3

Физические методы получения
порошков

35. Физическое осаждение

• используют для
получения простых
веществ на подложке
Для этого вещество
- испаряют
- полученный пар
переносят в место
осаждения
- охлаждают.
35

36. Устройство для осаждения

• Вакуумная камера с
насосом
• источник вещества
- испаряемая поверхность;
● Среда – вакуум/плазма,
содержащая ионы
инертного газа
• Принимающая
поверхность (субстрат), на
которой происходит
36
осаждение

37. Сущность способа :

исходное вещество испаряется путем
интенсивного нагрева,
Нагрев испаряемого вещества осуществляется с
помощью плазмы, лазера, электрической дуги,
печей сопротивления, индукционным способом,
пропусканием электрического тока через
проволоку.
Возможно также бестигельное испарение
с помощью газа-носителя подается в
реакционное пространство, где резко
охлаждается.
37

38. Разновидности метода физического испарения

• Термическое
• Взрывное испарение
• Испарение в потоке газа
38

39. Термическое испарение


При этом методе проводят нагрев
испаряемого вещества в тигле.
Получаемые этим методом порошки
имеют сферическую/ ограненную форму
• Могут быть как металлические, так
интерметаллические или другие
соединения.
39

40. Способы нагрева:

Испарение в
электропечи
В струе плазмы
• Высокочастотный
индукционный
• Электронно-лучевой
• Электро-дуговой
• Плазменный
• Лазерный
1- инертный газ,2 - электропечь, 3
нагреватель, 4 –сырьё, 5 – поток пара, 6 –
охл. барабан, 7 – скребок, 8 –НП, 9 –
контейнер, 10 – плазмотрон, 12- струя
плазмы, 13 –вращ. тарелка
40

41.

• Преимущества
• Недостатки
• чистые порошки
• узкое
распределение
частиц по размерам
• Низкая
производительност
ь процесса
41

42. Испарение лазером

• Излучение с помощью линзы 8
фокусируется на мишень 2,
• приводом 1 мишень вращается и
перемещается линейно в
горизонтальной плоскости, чтобы
скорость перемещения была
постоянна для однородности.
• Мишень - спрес.таблетки ZrO2 и
Y2O3 с размером до десятков мкм.
• Рабочий газ (воздух или смесь N2 и
O2) проходит через камеру 3 и
переносит порошок в циклон 5 и
электрофильтр 6. Перед выбросом –
42
механический фильтр 7.

43. Характеристика метода

• Производительность – 15-20 г/ч
• Стоимость – высокая
• Значительная затрата энергии
• (30-40 Ватт час/г , что в 10 раз больше
энергии, необходимой для испарения.)
• Фракционный состав НП неоднородный.
• (Для ZrO2 – 0,2 до 100 нм.)
43

44.

• Испарением массивных оксидов
электронным пучком в инертной
атмосфере получают порошки:
аморфных Al2O3, SiO2
• кристаллического Y2O3 (окись иттрия)
44

45. Способ получения наноматериалов путем электрического взрыва проволок

Метод ЭВП
один из перспективных
методов получения
широкой гаммы
нанопорошков
неорганических
материалов с высокой
химической
активностью,
основанный на
импульсных процессах.
• В следствие
экстремальных
условий образования
электровзрывных
наночастиц (высокие
температуры и
скорость процесса)
• при ЭВП формируется
неравновесная
структура дисперсной
45
фазы нанопорошков

46.

Для перевода
поверхности металла в
неактивное состояние
осуществляется процесс
пассивации НП.
Это позволяет защитить
НП металла от
воздействия коррозии.
Технологический
процесс происходит
без использования
вредных химических
веществ,
в замкнутом объеме,
расход инертных газов
в процессе
производства сводится
к минимуму.
46

47. Схема получения порошка взрывным испарением из проволоки


От высоковольтного
источника питания 1 заряжается
накопитель энергии 2
механизм подачи проволоки 3
обеспечивает автоматическую
установку взрываемой
проволоки 4
Как только проволока 4
занимает заданное положение,
включается коммутатор 5 и
происходит разряд и взрыв.
Порошок собирается в
накопителе 6 и поступает на
дальнейшую переработку.
Объем камера 7 вакуумируют и
заполняют газом
8 – система газового снабжения
Процесс идет в атмосфере гелия
или аргона.
проволока металла диаметром
0,1...1,0 мм
47

48. Таким способом получают нанопорошки

• с размером частиц до 5-10 нм.
высокой чистоты
• из металлов с высокой температурой
плавления и большой хим. активностью:
- металлические (Тi, Со, W, Fе, Мо)
- оксидные (TiO2, Аl2O3, ZrO2)
48

49.

ВП-технология имеет конкурентные
преимущества, которые позволяют:
существенно экономить энергию в процессе
работы
производить нанопорошки при комнатной
температуре
полностью избегать вредных выбросов
не менять оборудование при получении
ультрадисперсных нанопорошков разного
химического состава
49

50. Испарение в потоке инертного газа (Левитационно-струйный метод)

• Испарение металла
проводится в потоке
инертного газа из капли
расплава на конце проволоки,
разогреваемой
высокочастотным магнитным
полем.
1-механизм подачи проволоки
2-проволока, 3 -индуктор
4 – капля, 5- пары Ме, 6 - фильтры
7 - контейнер
• Размер частиц зависит от
скорости потока газа – с
увеличением скорости
уменьшение с 500 до 10 нм с
одновременным разброса.
• НП Mn и Sb. Порошок
аморфный
• Из-за большой скорости
50
закалки.

51.

52.

• При выборе способа получения порошка
необходимо исходить из технических
требований к конечной продукции, а также
учитывать экономические факторы
(стоимость П ,затраты на его переработку в
изделия.)

53.

Нанообъект
Наночастицы(нанопорошки)
• объект, хотя бы один
из размеров лежит в
• Малоразмерные твердые
в-ва от 0,1 до 100нм
диапазоне от
• 1 до 100нм.
• Кластеры- от 10 до тысячи
атомов
• Порошок
совокупность твердых частиц
English     Русский Правила