Порошковая металлургия
Вечные фильтры?
Содержание: Хотелось бы узнать Ваше мнение по поводу фильтров (металлокерамика) на ros-filter.ru. Говорят вечные???
Здравствуйте, Дмитрий!
Практика изготовления металлических порошков и спеченной металлической губки (крицы), получаемых восстановлением оксидов металлов углеродом известна с глубокой древности. Например, порошковое золото применяли для декоративных целей за 3000-3500 лет до нашей эры. Железные орудия, найденные при раскопках в Египте и Вавилоне, были изготовлены с использованием отдельных методов порошковой металлургии.
Основоположником современной порошковой металлургии считается русский ученый П.Г. Соболевский, разработавший совместно с В.В. Любарским в 1826 году метод изготовления металлических изделий из порошка платины. Впоследствии порошковая металлургия развивалась очень быстро, т. к. позволяла получать изделия с уникальными свойствами, возможность изготовления которых другими способами была исключена. К таким изделиям относятся, например, фильтры, пористые подшипники; методами порошковой металлургии получают также материалы с заданной структурой, материалы, состоящие из металлов и их оксидов, металлов и композиционных полимеров и др.
Современная порошковая металлургия включает следующие этапы: получение исходных металлических порошков и приготовление из них шихты (смеси); компактирование порошков (или их смесей) в заготовки; спекание.
Порошки, используемые в порошковой металлургии, состоят из частиц размером 0,01-500 мкм. Получают их механическими и физико-химическими методами. К механическим методам относят измельчение твердых металлов или их соединений и диспергирование жидких металлов или сплавов. Твёрдые частички металлов измельчают в барабанных или вибрационных мельницах, или мельницах ударного действия (вихревые, струйные, центробежные). При измельчении в мельницах хрупких материалов частицы порошка имеют осколочную форму, при измельчении пластичных материалов-чешуйчатую. Измельченные порошки характеризуются наклепом (изменением структуры и свойств, вызванным пластической деформацией) и, как правило, подвергаются отжигу.
Последующее диспергирование, или распыление, жидких металлов и их сплавов осуществляют струей жидкости или газа. При распылении водой под высоким давлением используют форсунки разных форм. Свойства распыленных порошков зависят от поверхностного натяжения расплава, скорости распыления, геометрии форсунок и других факторов. Распыление водой часто проводят в среде инертных газов азота или аргона. Этим методом получают порошки железа, нержавеющих сталей, чугунов, никелевых и др. сплавов. При распылении струи металлического расплава газом высокого давления на размер частиц влияют давление газа, диаметр струи металла, конструкция форсунки, природа сплава. В качестве распыляющего газа используют воздух. азот, аргон, водяной пар. Распыление металла осуществляют также плазменным методом или путем разбрызгивания струи металла в воду. Такими способами получают порошки бронз, латуней, олова, серебра, алюминия и др. металлов и их сплавов.
Физико-химические методы получения металлических порошков включают: восстановление оксидов металлов углеродом. водородом или углеводородсодержащими газами; металло-термический способы - восстановление оксидов, галогенидов или др. соединений металлов другими металлами; разложение карбонилов металлов, металлоорганических соединений; электролиз водных растворов и расплавов солей.
Путем восстановления оксидов металлов производят порошки Fe, Co, Ni, W, Mo, Cu, Nb и др. металлов.
Порошки металло-подобных соединений получают теми же методами и, кроме того, синтезом из простых веществ.
Частицы порошков имеют развитую поверхность. Разложением карбонилов металлов получают порошки Ni, Fe, W, Mo со сферической формой частиц. Электролиз водных растворов солей металлов применяют для приготовления порошков Fe, Cu, Ni, а электролиз расплавов солей - для получения порошков Ti, Zr, Nb, Та, Fe, U. В обоих случаях частицы порошков имеют дендритную форму.
Большинство порошков, получаемых методом порошковой металлургии прессуется в жестких металлических матрицах (прессформах) с использованием таблетировочных, ротационных и др. механических и гидравлических прессов-автоматов. После заполнения матрицы порошок прессуется под давлением одного или нескольких специальных мощных прессов.
Прессование прокаткой-это непрерывное формование заготовок из порошков при помощи валков на прокатных станах. Подача порошка в валки может осуществляться под действием силы тяжести или принудительно. В результате прокатки получают пористые листы, ленты, профили.
При изостатическом прессовании порошок или пористые заготовки помещают в оболочку и подвергают всестороннему обжатию. Процесс включает заполнение оболочки, ее вакуумирование и заделку, собственно изостатическое прессование и декомпрессию оболочки. Разновидности изостатического прессованиягидрои газостатическое прессование, рабочими средами (передающими давление) в которых служат соответствующие жидкости или газы. Гидростатическое прессование производят, как правило, при комнатной температуре; газостатическое - при высоких температурах. С помощью изостатического прессования получают изделия сложной формы с максимально равномерной плотностью по всему объему.
Высокоскоростное (динамическое, импульсное, ударное) прессование осуществляют путем высокоскоростной деформации порошка. К нему относят взрывное, гидроди-намическое, магнитно-импульсное прессование, некоторые виды ковки и штамповки, прессование на быстроходных прессах, копрах, молотах.
Конечная операция порошковой металлургии спекание - заключается в термообработке заготовок при температуре ниже температуры плавления хотя бы одного из компонентов. Его проводят с целью повышения плотности и обеспечения определенного комплекса механических и физико-химических свойств изделия. На начальной стадии спекания частицы проскальзывают друг относительно друга, между ними образуются контакты, происходит сближение центров частиц. На этой стадии скорость увеличения плотности (усадки) максимальна, но частицы еще сохраняют свою индивидуальность. На следующей стадии пористое металлическое тело представлено совокупностью двух взаимно проникающих фаз-фазы вещества и "фазы пустоты". На заключительной стадии пористое тело содержит изолированные поры и уплотнение происходит в результате уменьшения их числа и размеров. Спекание многокомпонентных систем осложняется взаимной диффузией. В этом случае спекание может происходить и с образованием жидкой фазы (жидкофазное спекание).
Спекание, как правило, проводят в защитной (чаще всего инертные газы) или восстановительной (водород, углеводо-родсодержащие газы) средах, а также в вакууме. Нагрев изделий осуществляют в электропечах (вакуумных, колпаковых, муфельных, толкательных, конвейерных, проходных, шахтных, с шагающим подом и др.), индукц. печах, прямым пропусканием тока. Спекание и прессование совмещены в одном процессе (спекание под давлением, горячее прессование).
Вот вкратце и всё о порошковой металлургии. Сейчас порошковая металлургия – альтернатива металлургии традиционной. Получаемые методами порошковой металлургии материалы называются порошковыми. Эти материалы условно подразделяют на конструкционные, триботехнические, фильтрующие, твердые сплавы, высокотемпературные, электротехнические, с особыми ядерными свойствами и др.
Из конструкционных порошковых материалов изготовляют детали машин, механизмов и приборов, например шестерни, фланцы, зубчатые колеса, седла и корпуса клапанов, муфты, эксцентрики, кулачки, шайбы, крышки, корпуса подшипников, детали насосов, различные диски, втулки и др. Основные требования к этим порошковым материалам – повышенные механические свойства и экономичность. Детали из конструкционных порошковых материалов подразделяют на ненагруженные, мало-, среднеи сильнонагруженные, а по типу материала-на основе железа или сплавов цветных металлов.
К триботехническим относятся антифрикционные материалы и фрикционные материалы. Оптимальные структуры анти-фрикционных материалов - твердая матрица и мягкий наполнитель. Для создания такой структуры наиболее эффективен именно метод порошковой металлургии. Получаемые этим методом антифрикционные изделия обладают низким и стабильнымкоэффициентом трения, хорошей прирабатываемостью, высокой износостойкостью, хорошей сопротивляемостью схватыванию. Изделия из порошковых антифрикционных материалов являются самосмазывающимися. Твердая смазка (напр., графит, селениды, сульфиды) заключена в порах самого изделия. Антифрикционные порошковые материалы могут использоваться как для изготовления объемных элементов, так и в качестве покрытий, нанесенных на подложки. Характерный пример изделий из порошковых антифрикционных материалов - подшипники скольжения.
Фрикционные порошковые материалы используют в узлах, передающих кинетичискую энергию. Эти материалы обладают высокой износостойкостью, прочностью, теплопроводностью, хорошей прирабатываемостью. Порошковые фрикционные материалы чаще всего состоят из металлических и неметаллических компонентов. При этом металлические составляющие обеспечивают высокую теплопроводность, а неметаллические (SiO2, A12O3, графит и др.) повышают коэффициент трения.
Изделия из порошковых твердых сплавов, состоящих из твердых тугоплавких карбидов и пластичного металлического связующего, получают путем прессования смесей порошков и жидкофазного спекания. Твердые сплавы подразделяются на содержащие вольфрам и углерод (или его твердые растворы с др. карбидами) и безвольфрамовые (на основе титана и др. тугоплавких соединений); они обладают высокой твердостью, прочностью, износостойкостью. Например, из твердых сплавов изготовляют инструменты для резания металлов и др. материалов, штамповки, обработки давлением, для бурения горных пород.
К высокотемпературным порошковым материалам относят сплавы на основе тугоплавких металлов (W, Mo, Nb, Та, Zr, Re, Ti и др.). Эти сплавы применяют в авиации, электротехнике, радиотехнике и др.
Электротехнические порошковые материалы включают следующие основные группы: контактные (для разрывных и скользящих контактов), магнитные, электропроводящие и др. Разрывные контакты предназначены для многократного замыкания и размыкания электрическх цепей. Их изготовляют из порошковых сплавов на основе Ag, W, Mo, Cu, Ni с добавками графита, оксидов Cd, Cu, Zn и др. Скользящие контакты изготовляют из порошковых сплавов на основе Cu, Ag, Ni, Fe с добавками графита, нитрида В, а также сульфидов (для снижения коэффициента трения); их применяют в электродвигателях, генераторах электрического тока, потенциометрах, токосъемниках и др. устройствах.
Металлические магнитотвердые и магнитомягкие материалы изготовляют из порошковых сплавов на основе Fe, Co, Ni, Al, SmCo5, сплава Fe-Nd-B. Магнитодиэлектрики представляют собой многокомпонентные композиции на основе смеси ферромагнитных порошков с вяжущими веществами, являющимися изоляторами (жидкое стекло, бакелит, шеллак, полистирол, разные смолы). Диэлектрик образует на частицах ферромагнетика сплошную изолирующую пленку достаточной твердости, прочности и эластичности, одновременно обеспечивая их мех. связывание. Ферриты изготовляют только методами порошковой металлургии. Порошковые электропроводящие материалы и изделия из них разного назначения изготовляют из Cu, A1 и их сплавов.
В ядерной энергетике порошковые материалы (В, Hf, Cd, Zr, W, Pb, РЗЭ и др. и их соединения) с особыми свойствами используют в качестве поглотителей, замедлителей, из них изготовляют регулирующие стержни, а также твэлы (с использованием порошков диоксида, карбида, нитрида урана и порошков тугоплавких соед. др. трансурановых элементов).
Таким образом, пористые порошковые материалы получили широкое использование в различных областях промышленности, начиная от бытовой техники до атомной энергетики и космического оборудования.
Свойствами, характерными лишь для
пористых порошковых материалов, являются:
фильтрующие;
капиллярные.
Фильтры из порошковых материалов по сравнению с другими пористыми изделиями обладают рядом преимуществ: высокой степенью очистки при удовлетворит проницаемости, высокими жаростойкостью, прочностью, сопротивлением абразивному износу, теплопроводностью и др. Фильтры изготовляют спеканием свободно насыпанных или спрессованных порошков бронзы, нержавеющей стали, никеля, титана, железа. Современные методы порошковой металлургии позволяют изготовлять фильтры с изменяемой и регулируемой пористостью, проницаемостью и степенью очистки.Фильтры на основе порошковых металлов, наряду с пористыми подшипниками, составляют главную часть пористых изделий из порошковых материалов. Методами порошковой металлургии изготовляют также пористые уплотнит. прокладки, антиобледенители, пламегасители, конденсаторы, пеноматериалы и другие материалы.
Фильтрующие свойства порошковых материалов представлены пористостью, проницаемостью, тонкостью фильтрации и грязеёмкостью.
Пористостью материала состоит из наружной пористости (открытые поры) и внутренней (закрытые поры). В свою очередь, наружная пористость состоит из сквозных и несквозных (тупиковых) пор. Сквозная пористость определяет количество проходящей через фильтр жидкости или газа и, следовательно скорость фильтрации.
Качество фильтра и его проницаемость для фильтрующей среды определяются только наружной сквозной пористостью.
Проницаемость фильтра определяется расходом жидкости или газа через единицу площади фильтрующей поверхности при равномерном давлении. Проницаемость возрастает при увеличении пористости и числа сквозных пор по сравнению с числом несквозных.
Тонкость фильтрования характеризует качественный процесс очистки жидкости от загрязнений. В общем случае тонкость фильтрования определяется абсолютной и номинальной тонкостью фильтрования и коэффициентами отфильтровывания и полнотой фильтрования.
Абсолютная тонкость фильтрования определяется как максимальный размер частиц загрязнений, пропускаемых фильтром. Номинальная тонкость фильтрования представляет собой минимальный размер частиц, прошедших через фильтр.
Коэффициент полноты отфильтрования характеризует уменьшение массы загрязнений в рабочей жидкости при однократном её пропускании через пористый порошковый материал.
Грязеёмкость фильтра представляет собой массу загрязнений, задержанных на единице площади фильтрующего материала во время повышения давления от начального до предельного.
Капиллярные свойства определяют процессы взаимодействия пористых порошковых материалов с жидкостью. Они характеризуются величиной капиллярного потенциала, представляющего собой произведение максимальной высоты подъёма жидкости в пористом теле на ускорение свободного падения, и краевым углом смачивания.
Спеченные фильтры изготавливают из порошков металлов или сплавов однородной фракции определённого химического состава. Порошки могут иметь как сферическую, так и несферическую форму. Основное преимущество фильтров, изготовленных из несферического порошка состоит в том, что они имеют повышенную механическую прочность за счет лучшего контакта частиц неправильной формы с разветвленной поверхностью по сравнению с точечным контактом сферических порошков. Однако в производстве спеченных фильтров целесообразнее выбирать порошки с частицами сферической формы, так как материал из таких порошков обладает лучшей проницаемостью, подающейся регулировке и регенерации.
Технологию изготовления порошковых фильтров выбирают с учетом требуемой тонкости фильтрации, производительности, размеров фильтров, а также их прочностных свойств.
Фильтры небольших размеров изготавливают методом спекания свободно засыпанного порошка. При этом для равномерного распределения порошка необходимо встряхивание или вибрирование формы. В этом случае сферическая форма частиц порошка не изменяется, что способствует сохранению максимальной проницаемости материала.
Традиционный способ изготовления спеченных фильтров характеризуется деформированием порошка под действием принудительного давления.
Для получения материалов с повышенной пористостью (40 – 75%) и удовлетворительными прочностными свойствами в порошки перед стадией деформирования заготовки вводят специальные добавки, которые предназначены для одновременного увеличения прочности и сохранения высокой пористости фильтра.
Сейчас фильтры из пористых порошковых материалов используют для отделения газов и жидкости от посторонних примесей, для очистки газов при их производстве и практическом использовании, отходящих газов в химической, металлургической, атомной и цементной промышленностях. Коррозионностойкие фильтры используют для очистки воды, молока, растворов щелочей и кислот.
Наряду с фильтрами широкое распространение получили изделия из пористых порошковых материалов, называемые капиллярно-пористыми. В основу применения изделий этой группы положена способность пористых порошковых материалов осуществлять транспорт жидкости по поровым каналам под действием капиллярных сил. Применение капиллярно-пористых материалов позволило создать устройства с эффективной проницаемостью для одних жидкостей и непроницаемостью для других, возможностью осуществления в порах фазовых превращений, сопровождающихся поглощением или выделением тепла. Эти свойства обеспечили широкое использование капиллярно-пористых порошковых материалов в самых различных областях техники, в частности, в элементах конструкций теплообменных аппаратов.
Более подробно о новых технологиях получения фильтров на основе порошковой металлургии и других изделий читайте на сайте Югорского государоственного университета:
www.ugrasu.ru/faculties/engine/lsvsnm/about/
С уважением,
К.х.н. О.В. Мосин
Литература: Шведков Е Л , Денисенко Э. Т., Ковенский И. И., Словарь-справочник по порошковой металлургии, К.. 1982; Кипарисов С. С., Либен сон ГА., Порошковая металлургия, 2 изд., М., 1980; Порошковая металлургия в СССР История. Современное состояние. Перспективы, под ред. И. Н Франце-вича и В. И. Трефилова, М., 1986; Порошковая металлургия и напыленные покрытия, под ред. Б. С. Митина, М., 1987