Меню Рубрики

Установка распыления металлических порошков

Получение металлических порошков методом центробежного распыления с использованием вращающегося стакана Текст научной статьи по специальности « Нанотехнологии»

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Труфанов Дмитрий Александрович, Котов Сергей Анатолиевич, Шалашов Евгений Васильевич, Часов Валерий Викторович

В лабораторной установке центробежного распыления с вращающимся стаканом и жидкой средой ох-лаждения получены распыленные порошки оловянисто-свинцового припоя (ПОС-61) и оловянистой бронзы (БрО-20). Показано, что на сфероидизацию капель расплава при распылении на воздухе главным образом влияет природа металла (сплава), а именно поверхностное натяжение и вязкость при температуре плавления. Исследованы: форма, размер частиц, уплотняемость и формуемость полученных порошков. Предложен проект установки гибридного распыления в целях получения ультрадисперсных металлических порошков со сферической формой частиц для 3D-печати.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Труфанов Дмитрий Александрович, Котов Сергей Анатолиевич, Шалашов Евгений Васильевич, Часов Валерий Викторович

Receiving metallic powders by centrifugal atomization using a rotating cup

There are atomized powders of tin-lead solder (Sn-61 %, Pb-39 %) and tin bronze (Sn-20 %, Cu-80 %) obtained by laboratory installation of centrifugal atomization with the rotating cup and liquid cooling medium in this work. It is shown that the process of spherodising melt drops when sprayed in air mainly affects the nature of the metal (alloy) such as surface tension and viscosity at the melting temperature. The next parameters were investigated: a shape, the size of particles, compactibility and molding capacity of the received powders. The design of hybrid atomization installation to produce ultrafine metal powders with a spherical particle shape for 3D-printing is offered.

Текст научной работы на тему «Получение металлических порошков методом центробежного распыления с использованием вращающегося стакана»

Получение металлических порошков методом центробежного распыления с использованием вращающегося стакана

Д. А. Труфанов, С. А. Котов, Е. В. Шалашов, В. В. Часов*

В лабораторной установке центробежного распыления с вращающимся стаканом и жидкой средой охлаждения получены распыленные порошки оловянисто-свинцового припоя (ПОС-61) и оловянистой бронзы (БрО-20). Показано, что на сфероидизацию капель расплава при распылении на воздухе главным образом влияет природа металла (сплава), а именно поверхностное натяжение и вязкость при температуре плавления. Исследованы: форма, размер частиц, уплотняемость и формуемость полученных порошков. Предложен проект установки гибридного распыления в целях получения ультрадисперсных металлических порошков со сферической формой частиц для 3D-печати.

Ключевые слова: центробежное распыление, металлические порошки, форма частиц, припой, бронза, вращающийся стакан.

Центробежное распыление жидкости или металлического расплава с использованием вращающегося стакана широко используется во многих промышленных процессах: начиная с производства шоколадных гранул и заканчивая химическими процессами в реакторах. Суть метода заключается в следующем: жидкий металл наливают на вращающийся диск, чашу или стакан. Под действием центробежной силы расплав растекается в виде тонкой пленки, а на кромке диска разделяется на струйки, которые далее распадаются на капли. Производительность метода может изменяться от нескольких десятков килограмм до нескольких тонн в час. Энергоэффективность центробежного распыления выше по сравнению с распылением расплава газом или водой.

Цель работы — изучение влияния природы материала и параметров распыления на свойства получаемого порошка: размер и форму частиц, уплотняемость, формуемость.

Анализ опубликованных работ и результатов эксперимента

На кафедре «Технология и исследование материалов» Санкт-Петербургского политех-

* В работе также принимали участие: Гиршов В. Л., Кочкин В. Г., Цеменко В. Н.

нического университета в лабораторной установке центробежного распыления были получены порошки припоя ПОС-61 и бронзы БрО-20. Схема лабораторной установки центробежного распыления показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема установки центробежного распыления: 1 — расплав; 2 — заливочная воронка; 3 — стакан-распылитель; 4 — охлаждающая жидкость; 5 — сборник порошка; 6 — привод сборника; 7 — привод стакана-распылителя

Рис. 2. Лабораторная установка центробежного распыления (СПбПУ): а — общий вид установки; б — вид сверху

Распыление осуществляется следующим образом. В сборник порошка заливается вода. Включается привод сборника порошка и стакана-распылителя, в который через заливочную воронку подается расплав. Поступающий расплав под действием центробежной силы выбрасывается из стакана в форме ниточных прядей и пленок, которые в виде капель попадают в воду, где затвердевают, образуя порошок. На рис. 2 показан внешний вид лабораторной установки.

В литературе [1, 2] подчеркивается, что центробежный метод распыления позволяет получить частицы сферической формы за счет применения инертной атмосферы распыления. Так, Ш. М. Шейхалиев [2] получил

сферические частицы алюминия в среде азота (рис. 3).

Автор выделил два параметра, которые влияют на форму частиц:

• температура перегрева расплава.

На воздухе и при небольших перегревах расплава частицы имеют нитевидную форму (рис. 3) с большой удельной поверхностью. В атмосфере азота или при малом содержании кислорода и высоком перегреве (более 5 %) форма частиц получается сферической (рисунок 3, б).

В работе [3] представлены результаты экспериментов по центробежному распылению чистого олова в качестве модельной жидкости при

Сравнение параметров распыления

Установка Заливочное устройство Атмосфера распыления Диаметр камеры, мм Частота вращения диска, мин 1 Масса расплавленного металла, г

СПбПУ Воронка, 6 = 4 мм Воздух 600 « 15 • 103 1670

НГТИ Форсунка ЦГР Азот (« 99 %) 2000 20 • 103 —

Рис. 4. Форма частиц порошка ПОС-61 различных гранулометрических фракций (ситовый анализ): а — 1000 + + 630 мкм; б — 200 мкм

температуре 550 °С. В работе [1] отмечается, что частицы, полученные на воздухе, мгновенно покрываются толстой оксидной пленкой, мешающей их сфероидизации и дальнейшему измельчению. Для того чтобы получить мелкие сферические частицы, распылительная камера должна быть заполнена инертной средой.

В работе [4] представлены результаты экспериментов по определению влияния концентрации кислорода в атмосфере камеры установки на свойства получаемых порошков сплава ПОС-61 при распылении пленки расплава. Авторы получили припой со сферической формой частиц. Интересным в работе является то, что на базе Новоуральского государственного технологического института был распылен точно такой же сплав, что и на кафедре «Технология и исследование материалов» (СПбПУ), однако установки и условия распыления различаются. Отметим основные параметры распыления в (табл. 1).

Эксперименты по распылению ПОС-61 на установке СПбПУ показали, что частицы имеют неправильную форму (рис. 4).

Результаты, приведенные в табл. 1, показывают, что принципиальное отличие в условиях

проведения эксперимента заключается в атмосфере распыления. Из материалов работ [3, 4] следует, что инертная атмосфера в распылительной камере предотвращает образование оксидной пленки в момент дробления пленки ПОС-61 и позволяет получить частицы сферической формы.

С другой стороны, нельзя оставить без внимания информацию о получении порошков быстрорежущей стали методом центробежного распыления [6]. Форма частиц порошка стали изображена на рис. 5.

Рис. 5. Частицы быстрорежущей стали, полученные центробежным распылением

Важным в исследовании является то, что распыление происходило на воздухе, а не в атмосфере инертного газа, что не помешало сфероидизации частиц. Однако не все частицы имели округлую форму. Сферическими частицы получались во время так называемого установившегося или стационарного процесса, когда через заливочную воронку прошло уже несколько килограмм металла и оснастка установки достигла определенной температуры. Всего же распылялось несколько десятков килограмм стали за одну плавку.

Из этого следует вывод, что не всем металлам и сплавам необходима защитная атмосфера для сфероидизации. Следует принимать во внимание свойства, зависящие от природы расплава. К ним относятся, прежде всего, поверхностное натяжение и динамическая вязкость. Для наглядности представим эти характеристики для железа и олова в табл. 2.

Из таблицы следует, что поверхностное натяжение у расплава железа больше в 3,3 раза, чем у расплава олова. Известно, что поверхностное натяжение расплава оказывает определяющее влияние на размер и форму распыленных частиц [6]. Очевидно, что более высокое значение поверхностного натяжения у расплава железа способствует сфероидиза-

Читайте также:  Установка водостоков деке стандарт

Сравнение основных свойств расплава олова и железа [7]

ции капель расплава стали. Для оценки среднего размера капель, образующихся при центробежном распылении, рекомендовано уравнение [6]:

где к — эмпирический коэффициент, учитывающий условия формирования капли в момент ее отрыва от кромки; ю — угловая скорость вращения диска, мин-1; а — поверхностное натяжения расплава Н/м, а = f(T); Бр — диаметр распылителя, мм; уж — плот-

Во второй части работы распылению подвергался расплав бронзы. Распыление производилось на воздухе. Форма частиц неправильная, в основном дендритная и игольчатая (рис. 6, а). Однако в частицах, имеющих размер меньше 200 мкм, начинается сфероидизация. Форма частиц размером меньше 100 мкм преимущественно округлая, близкая к сферической (рис. 6, б). Процентное содержание частиц меньше 100 мкм составляет примерно 60 % по массе. Округлую фор-

Металл Температура плавления Тпл, °С Плотность при Тпл р, г/см3 Вязкость при Тпл | ■ 103, Па ■ с Поверхностное натяжение при Тпл а ■ 103, Н/м

Рис. 6. Форма частиц бронзового порошка размерами: а — менее 500 мкм; б — менее 100 мкм

Давление прессования Р, МПа

Рис. 7. Уплотняемость порошков ПОС-61 (■) и Бр0-20 (А)

му частиц порошка бронзы можно объяснить сравнительно высоким значением поверхностного натяжения меди (1,2 Н/м).

В работе была определена прессуемость полученных порошков. Прессование производилось на пресс-форме диаметром 17 мм. Результаты экспериментального исследования уплот-няемости порошков представлены на рис. 7.

Из графика видно, что порошок припоя ПОС-61 обладает более высокой уплотняе-мостью, что объясняется повышенной плас-

тичностью этого материала. Также порошок припоя характеризуется хорошей фор-муемостью даже при низких давлениях прессования (20 МПа). Бронзовый порошок не такой пластичный, как порошок припоя. Получить транспортабельную прессовку удалось при давлении прессования около 170 МПа. При меньших давлениях прессования прессовка рассыпалась в момент извлечения из матрицы. Это связано с тем, что при распылении в воду частицы сплава сильно окислились, что отрицательно сказалось на когезии между частицами во время формования. Таким образом, получение высокопористых изделий из этих порошков бронзы невозможно.

Анализ литературных данных и результаты проделанных исследований позволяют считать, что для регулирования формы и размера распыленных центробежным методом частиц порошка надлежит контролировать и регулировать перегрев и расход расплава, скорость вращения стакана-распылителя, атмосферу, в которой происходит распыление.

В настоящее время актуально получение ультрадисперсных порошков сферической формы с узким диапазоном размеров частиц, которые могут иметь различное функциональ-

Подача диспергирующего газа

Рис. 8. Установка гибридного распыления для получения ультрадисперсных порошков

ное назначение. Прежде всего, такие порошки нужны для аддитивных (3Б) технологий, поскольку именно ультрадисперсные фракции используются принтерами для 3Б-печати. Как известно, аддитивные технологии открывают широкие перспективы для создания новых экономичных и малоотходных производств современных металлических материалов и изделий с высоким уровнем свойств [8]. В связи с этим весьма актуальное создание новых и модернизация существующих видов оборудования для диспергирования порошков.

Для получения распыленных сферических порошков была разработана конструкция гибридной промышленной установки центробежного распыления на базе установки ЦНИИМа (патент № 79817 от 04.09.2008 г.), где используются бесконтактные форсунки, через которые газ с большой скоростью попадает на пленку и нитевидные пряди расплава, обеспечивая их дополнительное диспергирование (рис. 8). Кроме того, предусмотрен подогрев металлопровода заливочной воронки, что позволит в более широких пределах регулировать расход расплава.

1. Обзор литературных источников и проведение собственных опытов по распылению двух сплавов (ПОС-61 и БрО-20) показали, что на сфероидизацию капель расплава при распылении на воздухе главным образом влияют свойства, зависящие от природы расплава. К ним относятся, прежде всего, поверхностное натяжение и динамическая вязкость.

2. Дисперсность, полученных при центробежном распылении порошков зависит от

скорости вращения стакана, природы и расхода жидкости, температуры расплава и конструкции распылителя.

3. При распылении в воду частицы припоя ПОС-61 не окислились. Полученные порошки хорошо формуются при низких давлениях (от 20 МПа). В свою очередь, при тех же параметрах распыления частицы бронзы покрылись оксидной пленкой (см. рис. 6, а), что отрицательно сказалось на когезии между частицами во время формования.

1. Liu J. X., Yu Q. B., Qin Q. Numerical study on film disintegration by centrifugal atomisation using rotating cup // Powder Metallurgy. Sept. 2013. Vol. 56, is. 4. P. 288-294.

2. Шейхалиев Ш. М. Центробежное распыление для производства порошков и гранул различных металлов и сплавов // Новости порошковой металлургии. 2007. № 1 [Электронный ресурс].

3. Xie J. W., Zhao Y. Y., Dunkley J. J. Effect of Processing Conditions on Powder Particle Size and Morphology in Centrifugal Atomization of Tin // Jurn. Powder Metallurgy. 2004. Vol. 47. Р. 168-172.

4. Берюхов А. В. Разработка технологии и оборудования для производства металлических порошков центробежным распылением пленки расплава: автореф. дис. . канд. техн. наук. Екатеринбург, 2006. 18 с.

5. Исследование вязкости жидких металлов / Э. Э. Шпильрайн, В. А. Фомин, С. Н. Сковородько, Г. Ф. Сокол; Отв. ред. В. А. Кириллин. М. : Наука, 1983. 243 с.

6. Гиршов В. Л. Процессы порошковой металлургии. Порошковая металлургия высоколегированных сплавов: учеб. пособие. СПб. : Изд-во СПбГПУ, 2003. 153 с.

7. Панфилович К. Б. Тепловое излучение и поверхностное натяжение жидких металлов и сплавов. Казань : КГТУ, 2009. 253 с.

8. Довбыш В. М., Забеднев П. М., Зленко М. А. Аддитивные технологии и изделия из металлов [Электронный ресурс].

источник

Установка газового распыления расплавов металлов для производства металлических порошков

Установка газового распыления расплавов металлов для производства металлических порошков, применяемых в аддитивных технологиях.

Характеристики: Значение:
Производительность установки, кг/час 30-60
Плавильный узел тигельная индукционная печь
Распыление в инертных газах азот, аргон
Камера распыления в герметичном исполнении
Газоснабжение установки, м3/час до 1500
Водоснабжение установки, м3/час до 10 м3/час

источник

Механические способы получения порошков

К механическим способам получения порошков относят:

  • дробление и размол;
  • распыление расплавленного металла;
  • грануляция;
  • обработка металлов резанием.

Дробление и размол

Метод наиболее эффективен, когда в качестве сырья для получения порошка используют отходы производства (обрезки, стружки). Этим способом можно получать порошок любого металла. Однако на практике он в основном используется для превращения в порошок губчатых осадков металлов, полученных электролизом или восстановлением газами, а также для измельчения хрупких металлов и сплавов.

С наибольшей эффективностью методы механического измельчения при-меняются, когда в качестве сырья для размола используются отходы производства (стружка, обрезки, скрап). Однако, иногда механический размол наиболее приемлем, даже если исходное сырьё не является отходами производства. На-пример, получение порошков из хрупких материалов (кремний, бериллий), по-рошков бронзы или легированных сплавов заданного химического состава.

В основе измельчения лежит ударное, скалывающее и истирающее действие так называемых мелющих тел, стенок измельчающих устройств и самой размалываемой массы. При дроблении твердых тел происходят упругие и пла-стические деформации, в процессе которых зарождаются и накапливаются микротрещины, приводящие к образованию новых поверхностей раздела и раз-рушению тел. Размолу легко поддаются хрупкие непластичные материалы
(кремний, марганец, различные тугоплавкие соединения). Значительно хуже поддаются размолу пластичные металлы (медь, цинк), которые при размоле расплющиваются и даже слипаются.

Общая схема получения порошков механическим измельчением обычно состоит из следующих операций:

  • подготовка шихты, состоящая в предварительном грубом дроблении, по-лучении стружки, приготовлении сечки (малых кусков проволоки);
  • измельчение шихты в различного вида мельницах;
  • отжиг порошка для снятия наклёпа.

Для грубого дробления обычно используются щековые, молотковые, ко-нусные и валковые дробилки, которые ничем не отличаются от дробилок, при-меняемых в горнорудной промышленности. Размер частиц, получаемых после грубого дробления составляет 1 – 10 мм.

Окончательный размол и получение металлического порошка проводится в шаровых, вибрационных, вихревых, планетарных мельницах.

Простейшим аппаратом, используемым для получения тонких порошков, является шаровая мельница, которая представляет собой металлический цилин-дрический барабан, внутри которого находятся размольные тела, чаще всего стальные или твердосплавные шары, и измельчаемый материал. При вращении барабана с различной скоростью возможно различное движение шаров и, сле-довательно, несколько режимов измельчения (рисунок 47).

При небольшой скорости вращения барабана происходит скольжение шаров по поверхности вращающегося барабана (рисунок 47, положение 1). В этом случае материал истирается между внешней поверхностью массы шаров, которая ведёт себя как единое целое, и стенкой барабана. Эффективность размола при этом мала. Такой режим часто применяется при смешивании разнородных материалов.

При увеличении числа оборотов барабана шары поднимаются на некоторую высоту вместе с вращающейся стенкой барабана, вследствие трения шаров о стенку, и затем скатываются по наклонной поверхности массы шаров (рисунок 47, положение 2). Измельчение материала в этом случае происходит между поверхностями трущихся шаров. Интенсивность истирания материала увеличи-вается.

При ещё большем числе оборотов шары поднимаются на значительную высоту и падают вниз, производя дробящее действие, которое дополняет исти-рающее воздействие на материал (рисунок 47, положение 3). Это положение является наиболее интенсивным режимом размола.

При дальнейшем увеличении вращения барабана центробежная сила воз-растает, и шары начнут вращаться вместе с барабаном (рисунок 47, положение 4). При этом материал перестаёт измельчатся. Такая скорость вращения называется критической (Vкр).

Рассмотренные выше режимы измельчения характеризуются следующими оборотами барабана:

  • режим скольжения при 0,2 Vкр;
  • режим перекатывания при 0,4 – 0,6Vкр;
  • режим наиболее интенсивного измельчения при 0,75 – 0,8 Vкр.

Приведённые соотношения справедливы при загрузки мельницы размалы-вающими телами в объёме 40 – 50% от объёма мельницы.

Соотношение между истирающим и дробящим действием шаров опреде-ляется отношением диаметра барабана (D) к его длине (L):
– при отношении D/L = 3 – 5 преобладает дробящее действие размольных тел;
– при отношении D/L ≤ 3 – истирающее.

На процесс измельчения большое влияние оказывает общая масса раз-мольных тел. Оптимальным является 1,7 – 2,0 кг. размольных тел на 1 л. объёма барабана мельницы.

Количество загружаемого на размол материала влияет на интенсивность измельчения и должно быть таково, чтобы заполнить объём зазоров между раз-мольными телами. Если материала будет больше, то часть его, не вмещающаяся в зазоры, измельчается менее интенсивно, так как в этом случае она не подвер-гается истирающему действию размольных тел. Кроме этого, уменьшается объём свободного пространства в барабане и затрудняется свободное падение размольных тел, что также снижает интенсивность измельчения. Практически соотношение между массами размольных тел и измельчаемого материала со-ставляет 2,5 – 3.

Чтобы интенсифицировать процесс размола, особенно при измельчении хрупких материалов, его проводят в жидкой среде, которая препятствует рас-пылению материала и обратному слипанию образующихся тонких частиц. Кроме того, проникая в микротрещины, жидкость создаёт большое капиллярное давление, что способствует измельчению. Количество жидкости при размоле должно составлять 0,4 л. на 1 кг. размалываемого материала.
Длительность размола составляет от нескольких часов до нескольких суток.

В порошковой металлургии в большинстве случаев используются шаровые мельницы с периодической загрузкой и разгрузкой. Могут использоваться мельницы с центральной разгрузкой через полую цапфу (рисунок 48, а), с тор-цевой разгрузкой через диафрагму, представляющую собой поперечную решетку, установленную у разгрузочного конца барабана (рисунок 48, б), или с периферической разгрузкой через щели в барабане и окружающее его цилинд-рическое сито (рисунок 48, в). Иногда применяются шаровые мельницы, работающие по замкнутому циклу совместно с классификатором, отделяющим недоизмельчённый продукт после выхода из мельницы и возвращающим его на повторное измельчение.
За последнее время в порошковой металлургии всё чаще стали использо-ваться вибрационные мельницы (рисунок 49), обеспечивающие тонкое измель-чение при минимальной затрате энергии посредством очень частых, но сравни-тельно слабых ударов по частицам материала. При этом возникают ударные, сжимающие и срезывающие усилия переменной величины, приводящие к уста-лостному разрушению частиц.

Дебалансный вал вибратора при вращении вызывает круговые колебания корпуса мельницы, загруженного на 75 – 90% размольными телами и измель-чаемым материалом. Корпус мельницы опирается на пружины, амортизирующие действия инерционных сил. Частота колебаний корпуса соответствует числу оборотов вала, которое составляет 1000 – 3000 об/мин. Размольные тела и измельчаемый материал, получая частые импульсы от стенок корпуса, совершают сложное движение. Под воздействием соударений, вращений и скольжений размольных тел материал интенсивно измельчается. При работе мельницы происходит непрерывная циркуляция размольных тел и измельчаемого материала.
Вибрационные мельницы могут работать периодически и непрерывно. Эффективность размола в них в несколько раз выше, чем в шаровых вращаю-щихся мельницах.

Для тонкого измельчения трудноразмалываемых материалов в настоящее время широко применяют планетарные центробежные мельницы, в которых в качестве размольных тел используются шары (рисунок 50). Основными элементами конструкции мельницы являются корпус-шкив с обоймами, основание и кожух. Корпус-шкив представляет собой сварную конструкцию с центральной осью, вокруг которой расположены шесть гнёзд для подшипников обойм и три для крепления осей промежуточных зубчатых колёс. На концах осей обойм расположены зубчатые колёса, соединенные с промежуточными зубчатыми колёсами, и противовесы, обеспечивающие более равномерное рас-пределение нагрузки на подшипники. Ось корпуса-шкива вставлена в сидение на неподвижном стакане центрального подшипника. На шпонке этого стакана укреплено неподвижное зубчатое колесо. Оси промежуточных зубчатых колёс в корпусе-шкиве закреплены неподвижно. Каждое промежуточное колесо со-единено с зубчатыми колёсами двух соседних обойм и передаёт им вращение от центрального неподвижного колеса.

Разлом материала осуществляется следующим образом. Приводится во вращение корпус-шкив, оси промежуточных зубчатых колес и обоймы. Закреп-лённые в обоймах барабаны вращаются вместе с корпусом-шкивом и одновре-менно вокруг своей оси. Во время вращения масса размольных шаров распола-гается около стенки барабана по сегменту, форма и положение которого не ме-няется во вращении. Кроме того, каждый шар движется по окружности, центром которой является ось барабана. Таким образом сложное движение шаров, сопровождается их перекатыванием, приводит к интенсивному измельчению материала за счет истирания и ударного воздействия сталкивающихся друг с другом шаров и частиц материала. По сравнению с другими шаровыми мельни-цами размол в планетарных центробежных мельницах осуществляется интен-сивней в сотни раз.

Читайте также:  Установка канального вентилятора dospel

Для измельчения в порошок пластичных материалов используются вихревые мельницы, в которых предложен процесс, основанный на том принципе, что разрушающие удары производят сами частицы измельчаемого материала. При этом устраняются обычные загрязнения материалом шаров и стенок мельницы.

Мельница (рисунок 51) состоит из рабочей камеры, в которой расположены пропеллеры или билы, вращающиеся в противоположных направлениях при высоких, но обязательно равных скоростях. При этом создаются два противоположно направленных воздушных или газовых потоков, которые увлекают за собой частицы порошка. Сталкиваясь друг с другом, частицы из-мельчаются. Измельчаемый материал загружают в бункер, откуда он поступает в рабочую камеру, где размалывается. В рабочую камеру насосом также подается под давление воздух или газ, с помощью которого измельченные частицы удаляются в приемную камеру. Скорость воздушного потока регулируется с та-ким расчетом, чтобы из рабочей камеры удалялись частицы определенных раз-меров. В приемной камере крупные частицы оседают на днище и возвращаются вновь в рабочую камеру, где подвергаются повторному измельчению. Мелкие частицы направляются в отсадочную камеру, откуда производится выгрузка.

В результате вихревого измельчения могут получаться очень тонкие и пи-рофорные порошки. В целях предохранения порошка от самовозгорания в ра-бочую камеру вводят инертный газ, к которому добавляют до 5% кислорода для образования на частицах защитных оксидных пленок.

Распыление и грануляция жидких металлов

Распыление и грануляция жидких металлов является одним из наиболее производительных методов получения порошков. Распыление расплава является относительно простым и дешевым технологическим процессом производства порошков металлов с температурой плавления до 1600 ºС.

Сущность измельчения расплавленного металла состоит в дроблении струи расплава газом или водой при определённом давлении (распыление), либо ударами лопаток вращающегося диска (центробежное распыление), либо сливанием струи расплава в жидкую среду, например воду (грануляция).

Принципиально процесс распыления металлической струи потоком газа возможен по нескольким схемам. Распыление может осуществляться потоком газа, соосно обтекающим струю расплава, обтекающим потоком газа, направленным под некоторым углом к оси струи, и газовым потоком, направленным к оси струи под прямым углом.

Наиболее распространено распыление газовым потоком (рисунок 52), при котором на свободно истекающую струю металлического расплава направлен под углом 60º к её оси кольцевой газовый поток, создаваемый соплами, охваты-вающими струю металла. В месте схождения всех струй газового потока про-исходит разрушение струи расплава в результате отрыва от неё отдельных капель.
Механизм разрушения струи металла очень сложен и полностью ещё не изучен. На размер и форму образующихся частиц влияют мощность и темпера-тура газового потока, диаметр струи, температура, поверхностное натяжение и вязкость расплава. Кроме того, большое влияние оказывает конструкция фор-суночного устройства. Например, установлено, что размер образующихся частиц уменьшается с повышением скорости истечения газа – энергоносителя из форсунки с расширяющимся соплом или при повышении давления дутья в фор-суночных устройствах с сужающимся соплом.

При повышении температуры дутья возрастает кинетическая энергия га-зового потока, что способствует дроблению струи расплава на мелкие частицы. Наиболее эффективно распыление при температуре газового потока, совпа-дающей с температурой расплава, так как вязкость и поверхностное натяжение при этом не претерпевают изменений в процессе дробления струи из-за отсут-ствия переохлаждения расплава. Однако создать такие условия при распылении расплавов, имеющих высокую температуру плавления (1500 – 1700 ºС), очень сложно из-за трудностей нагрева газового дутья и значительного усложнения и удорожания распылительных установок.

На размер частиц, получаемого порошка, влияет и диаметр струи расплава. Увеличение диаметра струи приводит к снижению количества мелких частиц в порошке, что связано с возрастанием массы расплава, поступающего в зону распыления в единицу времени. На практике, для расплавов с температурой плавления до 1000 ºС диаметр струи выбирают в пределах 5 – 6 мм, с тем-пературой плавления до 1300 ºС – 6 – 8 мм и при более высокой температуре плавления – 8 – 9 мм.

При заливке в металлоприёмник расплав должен иметь температуру на 150 – 200 ºС выше температуры его плавления, что обеспечивает стабильное истечение струи, так как понижение температуры расплава в металлоприёмнике приводит к повышению его вязкости и поверхностного натяжения, в результате чего снижается выход мелких фракций порошка. В современных установках распыления металлоприёмники выполняются с обогревом, позволяя поддержи-вать оптимальную температуру струи расплава.
Распыление струи расплава водой широко применяют в промышленности. Этот процесс отличается от распыления расплавов газом более высокой плотностью воды, что влияет на увеличение импульса и кинетической энергии потока воды. Высокая плотность воды обеспечивает также сохранение высоких скоростей энергоносителя на больших расстояниях от среза сопла, чем в случаях использования газовых потоков. Это позволяет в широких пределах изменять взаимное расположение струй расплава и воды, облегчая конструирование устройств для распыления.

Кроме того, при контакте водяной струи с расплавом неизбежен процесс интенсивного парообразования как вокруг струи расплава, так и вокруг каждой распылённой частицы. По этой причине распыление струи расплава осуществляется фактически не водой, а перегретым сжатым паром, образующимся в зоне контакта поверхностей воды и расплава.

В установках с центробежным распылением струя металла разрушается ударами лопаток вращающегося диска (рисунок 53).
Образующийся порошок вместе с водой, подаваемой под определенным давлением и по специальной кольцевой трубке, создающей из воды форму во-ронки, внутри которой находится струя жидкого металла, поступает в приёмник. Воронкообразное оформление водяного узла установки позволяет предохранить струю жидкого металла от преждевременного разрушения (грануляции) водой.
Величина частиц порошка зависит от числа ударов лопаток о струю, удельной подачи металла в камеру распыления и вязкости расплава. Изменяя число оборотов крыльчатки, которое может достигать 4000 об/мин, регулируют набор частиц в порошке по размерам.

Грануляция, как способ измельчения жидких металлов, издавна применяется для изготовления свинцовой дроби. При грануляции струю расплава сливают в воду, получая грубые порошки с размером частиц 0,5 – 1,0 мм и выше. Более мелкие фракции можно получать, если применять интенсивное размельчение струи расплава при помощи движущейся конвейерной ленты с последующим охлаждением капель металла в воде.

В любом из рассмотренных вариантов распыления порошок содержит обычно кислород в виде оксидов. Поэтому порошки, полученные распылением, подвергаются восстановительному отжигу, целью которого является не только восстановление оксидов, но улучшение технологических свойств порошка (прессуемость, спекаемость и т.д.).

В настоящее время все шире используются методы бесконтактного распыления с использованием мощных импульсов тока, когда через твердый (в виде проволоки) или жидкий проводник (распыляемый материал) пропускается мощный импульс тока, и проводник мгновенно нагревается и распыляется, или воздействием электромагнитных полей, когда при пропускании электрического тока по струе расплава распыление осуществляется в виде взрыва проволок.

Обработка металлов резанием

Производство порошков обработкой металлов резанием на практике используются очень редко. Порошки получают при станочной обработке ком-пактных металлов, подбирая такой режим резания, который обеспечивает обра-зование частиц, а не сливной стружки.

При этом образующиеся отходы в виде крупной стружки целесообразно использовать для дальнейшего измельчения в шаровых, вихревых и других аппаратах, а мелкую стружку и опилки с величиной частиц порошка около 1 мм можно использовать для изготовления изделий без дополнительного дробления. В некоторых случаях применение этого метода для получения порошка является почти единственным. Прежде всего, это относится к тем металлам, которые очень активны по отношению к кислороду, особенно в состоянии высокой дисперсности. Например, по этому способу получают магниевый порошок.

источник

Популярные записи

Добавить комментарий