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