/>ВВЕДЕНИЕ
Как с точки зрения экономической, так и экологическойсуществует потребность в разработке процесса прямого превращения отходовмеханической обработки, таких как мелкая стружка, в порошок, который может бытьиспользован в порошковой металлургии железа. По оценке одна только фирма «ФордМотор Ко» производит на разных заводах 105 000 т стружки низколегированнойстали, которая поступает в продажу на рынок в качестве скрапа, используемогодля загрузки в печь при некоторых процессах плавления.
Глава 1. ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Основнымсырьем порошковой металлургии являются порошки чистых металлов и сплавов, атакже порошки неметаллических элементов. Под термином «порошковая металлургия»в соответствии с ГОСТ 17359–82 принято понимать «область науки и техники,охватывающую область производства металлических порошков, а также изделий изних или их смесей с неметаллическими порошками». Порошковая металлургия — одиниз наиболее прогрессивных процессов превращения металла в изделие, с помощьюкоторого обеспечиваются свойства изделия, полученного традиционными методами,или свойства, которые не могут быть достигнуты при использовании иныхтехнологических процессов.
Применениетехнологических процессов порошковой металлургии при изготовлении деталей иизделий различного назначения позволяет резко повысить коэффициентиспользования металла (КИМ) — до 96–98 % за счет сокращения отходов приобработке, а также возможного передела отходов в исходный материал (порошок);во многих случаях заменить дефицитные и дорогостоящие металлы и сплавы менее дефицитнымии дорогими, понизить энергоемкость и трудоемкость производства, аследовательно, уменьшить себестоимость готовой продукции без снижения, а в рядеслучаев — даже при повышении ее эксплуатационных свойств.
К химическимметодам получения порошков относится восстановление оксидов и солей металловтвердыми или газообразными восстановителями, диссоциация карбонилов инеустойчивых соединений, металлотермия. Большую группу порошков — олово,серебро, медь и железо — получают методами электролитического осажденияметаллов в виде порошка из водных растворов солей, а также электролизомрасплавленных сред (тантал, ниобий, уран и др.).
Кмеханическим методам получения порошков относятся измельчение металла резанием,размол в шаровых, вибрационных, конусно-инерционных и других мельницах идробилках, распыление струй жидкого металла сжатым паром, газом, водой.
Выбор методаопределяется возможностью получения порошка необходимого качества иэкономической целесообразностью применения того или иного метода. Наибольшее распространениеполучили химические методы и методы распыления, которые при минимальныхзатратах обеспечивают получение целой гаммы порошковых металлов и сплавов сосвойствами широкого диапазона.
Возможностьприменения порошка для изготовления конкретных изделий определяется егосвойствами, которые зависят от метода получения и природы металла порошка.Металлические порошки характеризуются технологическими, физическими ихимическими свойствами.
Ктехнологическим свойствам, согласно ГОСТ 19440–94, относятся: насыпнаяплотность, представляющая собой массу единицы объема свободно насыпанногопорошка; относительная плотность — отношение насыпной плотности и плотностиметалла в беспористом состоянии; текучесть — способность порошка заполнятьопределенную форму, выражающуюся через число граммов порошка, протекающего за 1с через воронку с диаметром выходного отверстия (носика воронки) 2,5 мм; прессуемость (ГОСТ 25280–90) — способность порошка под давлением сжимающих усилийобразовывать заготовку заданной формы и размеров (формуемость) с минимальнодопустимой плотностью (уплотняемость).
К физическимхарактеристикам порошков относятся форма и размер частиц порошков. Они могутрезко различаться по форме (от нитевидных до сферических) и размерам (от долейдо сотен и даже тысяч микрометров). Важная характеристика порошков —гранулометрический состав, под которым понимается соотношение количества частицразличных размеров (фракций), выраженное в процентах. Размеры частиц порошкаобычно составляют 0,1–100 мкм. Фракции порошков размерами более 100 мкмназывают гранулами, менее 0,1 мкм — пудрой. Определениегранулометрического состава может производиться с помощью просеивания порошкачерез набор сит (ГОСТ 18318–94). Этот метод применим к порошкам размерами более40 мкм; для более дисперсных порошков применяется метод седиментации (ГОСТ22662–77) и микроскопический анализ с помощью оптического или электронногомикроскопа (ГОСТ 23402–78). Также к физическим характеристикам относитсяудельная поверхность порошков, под которой понимают суммарную поверхность всехчастиц порошка, взятого в единице объема или массы.
К химическимхарактеристикам относятся химический состав порошка (как порошка чистогометалла, так и порошка сплава), определение которого производится по методикамсоответствующих компактных (беспористых) металлов и сплавов.
К химическимхарактеристикам относят также пирофорность — способность порошкасамовозгораться при соприкосновении с воздухом — и токсичность — ядовитостьпорошков. Если в компактном состоянии большинство металлов безвредны, то впорошковой форме, попадая в атмосферу помещений, они образуют аэрозоли, которыепри вдыхании воздуха или приеме пищи могут вызывать болезненное состояние.
Широкоеприменение имеют порошки меди, никеля и других металлов. Согласно ГОСТ 4960–75выпускаются и применяются следующие порошки меди: ПМА, ПМАу, ПМС-1у, ПМС-Н ит. д. Химические составы этих марок порошков приведены в табл. 21.2. Здесьв названии марок две первые буквы обозначают порошок медный (ПМ), следующие: С— стабилизированный, К — конопаточный, Н — низкодисперсный; индексы, вчастности у, Н, В и др. — со специальными свойствами. В табл. 21.3 даны областиприменения этих порошков.
Медныйпорошок не должен иметь посторонних примесей и комков и по цветусоответствовать образцу, согласованному изготовителем и потребителем. Удельноеэлектрическое сопротивление медного порошка марки ПМА не должно превышать 25мкОм м.
1.1 Принципы отбора изделий для изготовления методамипорошковой металлургии
В связи сограниченными возможностями формообразования деталей при изготовлении ихметодами порошковой металлургии важное значение приобретают принципы отборадеталей, переводимых на изготовление их методами порошковой металлургии. Приэтом необходимо учитывать ряд факторов — материал, применяемый при ихизготовлении, режимы их термической и химико-термической обработок и обработкирезанием, условия и режимы эксплуатации изделия. Одним из определяющих факторовявляется сложность их формы. Общие требования к форме деталей изложены в ГОСТ29278–92 («Изделия порошковые. Конструктивные элементы»). В зависимости отприменяемых конструктивных элементов изделия порошковой металлургии различаютпростой, сложной и особо сложной форм.
К изделиямпростой формы относятся:
· изделия безпереходов по высоте;
· изделия безотверстия или с одним отверстием и с торцами, ограниченными параллельнымиплоскостями.
Дополнительнымиконструктивными элементами изделий простой формы являются стенки, фаски, пазы изубья.
К изделиямсложной формы относятся:
· изделия с однимпереходом по высоте, без отверстия и с торцами, ограниченными параллельнымиплоскостями;
· изделия с однимили несколькими отверстиями, с одним переходом по высоте и торцами,ограниченными параллельными плоскостями.
К изделиямособо сложной формы относятся:
· изделия с двумяили более переходами и буртами по высоте, с торцами, ограниченнымипараллельными или непараллельными плоскостями, криволинейными плоскостями;
· изделия,ограниченные одной или более коническими, сферическими и другими криволинейнымиповерхностями.
Дополнительнымиконструктивными элементами изделий сложной и особо сложной формы являютсястенки, фаски, пазы, зубья, бурты, выступы, уклоны, углубления в торцах.
В зависимостиот сложности формы изделий, отходы при производстве и затраты на механическуюобработку могут перекрывать другие преимущества порошковой металлургии.Применение порошковых методов изготовления изделий будет оправдано толькотогда, когда в общей технологии изготовления достигается положительныйэкономический эффект или другие методы изготовления не обеспечивают заданныхсвойств.
Оценкаэкономической целесообразности изготовления изделий простых и сложных формметодами порошковой металлургии не представляет особых сложностей и в основномотражает их серийность. В случае изготовления изделий особо сложной формырентабельность производства дополнительно определяется затратами наизготовление деталей пресс-форм, которые возрастают по мере усложнения формыпорошковых изделий, необходимостью применения специальных прессов, например,прессов с боковым давлением и т. п., повышенными затратами на механическуюобработку. При прессовании в пресс-формах круп-ных деталей относительнаястоимость изделия резко увеличивается, так как требуется применение болеемощных (обычно гидравлических) прессов, которые, как правило, тихоходны, чтоснижает производительность труда. В связи с тем что при прессовании порошковприменяются высокие давления (500–1000 МПа), площадь поверхности, на которуюприкладывается давление прессования, лимитируется размерами пресс-формы имощностью пресса.
Конструкторпри проектировании порошковых изделий должен учитывать возможные измененияразмеров при прессовании и спекании порошковых заготовок, величины которых вбольшинстве случаев определяются экспериментально, и назначать более жесткие илегко воспроизводимые допуски, определенные в ГОСТ 29278–92. Установлено, чтометодами порошковой металлургии можно получать готовые изделия без механическойобработки отклонением перпендикулярно к направлению прессования в пределах от0,025 до 0,130 мм на длине 25 мм. Более жесткие отклонения могут быть полученыс помощью специальных методов порошковой металлургии — повторного прессования(калибрования) после спекания или динамического горячего прессования, горячейштамповки. Шероховатость прессованных изделий зависит от шероховатости рабочихповерхностей деталей пресс-форм. Внешние поверхности порошковых изделий имеютпрактически ту же шероховатость, что и рабочие поверхности матрицы, знаков,сердечников и других элементов пресс-формы.
Порошковыематериалы, используемые для изготовления изделий конструкционного назначения,могут быть разделены на две группы: 1) для изготовления изделий в целях заменыобычных углеродистых и легированных сталей, чугунов, некоторых цветных металлови сплавов и 2) материалы со специальными свойствами, получить которые можнотолько при производстве изделий методами порошковой металлургии.
Наиболеехарактерными деталями первой группы являются шатуны, шестерни, храповики,кулачки, ригеля, накидные и специальные гайки, рычаги и многие другие, которыевыпускаются промышленностью методами литья и механической обработки.Изготовление деталей этой группы рентабельно только при массовом производствеодинаковых изделий, так как изготовление пресс-форм, установка их на пресс иотладка процесса прессования — длительная и дорогостоящая операция. Так,например, если производительность прессования в зависимости от типа пресса(пресс-автомат, механический, гидравлический прессы) составляет от 150–200 до2000 и более прессовок в ч, то на смену инструмента (пресс-формы) и его наладкузатрачивается от 1–2 до 20–30 ч. В связи с этим, принято считать, чтоизготовление изделий методами порошковой металлургии может быть оправдано в томслучае, если эти изделия составляют в серии 10 000–50 000 штук(простой формы), 5000–10 000 штук (сложной формы) и 500–1000 штук (особосложной формы). В некоторых случаях производство более мелких партий порошковыхизделий связано со сложностью или невозможностью изготовления изделийтрадиционными методами, а используемые порошковые технологии снижаютсебестоимость, материалоемкость и энергозатраты и повышают производительностьтруда,
Глава 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ ПОРОШКОВЫЕМАТЕРИАЛЫ
В зависимостиот плотности и назначения порошковые материалы подразделяются на две группы: 1)плотные — материалы с минимальной пористостью, изготовленные на базе порошковжелеза, меди, никеля, титана, алюминия и их сплавов; и 2) пористые, в которыхпосле окончательной обработки сохраняется свыше 10–15 % пор по объему. Перваягруппа материалов нашла широкое применение в машино- и приборостроении,автомобильной и авиационной технике и других отраслях оборонного иобщегражданского производства. Высокая пористость материалов второй группыобеспечивает приобретение ими специальных свойств и позволяет применять их дляизготовления специальных изделий (изделий антифрикционного назначения,фильтров, деталей охлаждения и т. п.). При производстве этой группыдеталей применяются железографитовые материалы, бронзы, нержавеющие стали.
Особое значениеимеют инструментальные порошковые материалы. К их числу относятся порошковыебыстрорежущие стали, карбидостали, твердые сплавы, материалы на основесверхтвердых соединений (нитридов, боридов и т. д.) и алмазные материалы.
2.1 Конструкционные порошковые материалы на основе железа
Основнымдокументом, регламентирующим марки и свойства применяемых в Россииконструкционных материалов на основе железа, является ГОСТ 28378–89. Согласноэтому нормативному документу, все материалы на основе железа делятся на:
· сталималоуглеродистые, углеродистые и медистые;
· сталиникельмолибденовые, медьникелевые, медьникельмолибденовые;
· стали хромистые,марганцовистые, хромникельмарганцовистые;
· сталинержавеющие, предназначенные для деталей, применяемых в различных отрасляхтехники.
Классификацияпорошковых сталей подчиняется тем же правилам, что и принятым для сталейтрадиционных методов получения. Однако в дополнение к обычным методамклассификации — по равновесной структуре, по структуре, полученной при нагревевыше точки />охлаждениина спокойном воздухе и т. п. — для порошковых сталей существует еще одинспособ классификации. В зависимости от объемного содержания пор порошковыестали подразделяются на непроницаемые (содержание пор менее 5–8 %), полупроницаемые(от 8 до 14 % пор) и проницаемые (пористость более 12–14 %). Потехнологии производства их можно подразделить на: однократно и многократнопрессованные в условиях статических нагрузок в закрытых пресс-формах приобычных и высоких температуpax; стали, полученные при совмещении холодногопрессования и спекания высокопористых заготовок с последующим динамическимгорячим прессованием или горячей штамповкой; полученные экструзией, прокаткой,взрывным прессованием и т. п.
Конструкционныепорошковые стали — это спеченные материалы, используемые для замены литых икованых сталей при изготовлении деталей машин и приборов методами порошковойметаллургии. Условное обозначение таких материалов состоит из букв и цифр,например: сталь порошковая конструкционная медьникелевая со средней массовойдолей углерода 0,4 %, никеля 2 %, меди 2 % и минимальнойплотностью 6400 кг/м3 в соответствии с ГОСТ 28378–89 будет иметьследующее обозначение: ПК40Н2Д2-64.
Буквы в маркестали указывают: П — на принадлежность материала к порошковому, К — наназначение материала — конструкционный, остальные буквы и цифры — на содержаниетех или иных легирующих элементов (Д — медь, Х — хром, Ф — фосфор, К — сера, М— молибден, Г — марганец, Т — титан, Н — никель). Основу материала — железо— в обозначении марок не указывают. Цифры, стоящие за буквами ПК, указывают насреднюю массовую долю углерода в сотых долях процента. Массовую долю углерода,равную 1 %, в обозначении марки материала, согласно ГОСТ 28378–89, неуказывают. Цифры, стоящие за остальными буквами, означают содержание легирующихэлементов в процентах; отсутствие цифры указывает на то, что массовая долялегирующего элемента не превышает одного процента.
Условноеобозначение конструкционного порошкового материала состоит из обозначения егомарки — ПК40Н2Д2-64 и через дефис — его минимальной плотности — 6400 кг/м3.
Основойпорошковых сталей служит железо, свойства которого при спекании оказываютбольшое влияние на формирование структуры и свойств стали. Наряду с порошковымисталями порошковые изделия могут изготавливаться на основе одного железногопорошка, а также железа, легированного другими элементами.
Применение вкачестве исходного материала чистого железного порошка при изготовленииконструкционных деталей ограничено из-за низких прочностных свойств спеченногожелеза. В основном оно применяется для изготовления ненагруженных деталей,различных уплотнительных изделий и т. п. Свойства таких изделий зависят отих плотности, величины и характера межчастичных границ, метода получения порошка,гранулометрического состава, удельной поверхности частиц, внутренней ихрыхлости, технологии прессования (величины давления и скорости прессования),кратности прессования, температуры и времени спекания.
Для полученияпрактически беспористых изделий с повышенными механическими свойствамиприменяют горячее изостатическое прессование- экструзию, динамическое горячеепрессование.
В связи снизкой прочностью и твердостью спеченного железа, для повышения егомеханических свойств в железный порошок при приготовлении порошковой смесивводят легирующие добавки (фосфор, медь, хром, никель, молибден), а спеченныеизделия подвергают химико-термической обработке: азотированию, сульфидированию,хромированию.
Медь вжелезные изделия вводят непосредственно в виде порошка или при изготовлениипорошковой смеси в виде лигатуры. Введение меди в количестве 1,0–10 масс. %увеличивает предел текучести и временное сопротивление материала, но несколькоснижает его пластичность и вязкость. Введение меди существенно повышает сопротивляемостьпорошкового материала атмосферной коррозии. Максимальная прочность на разрывдостигается при массовой доле меди 5–7 %. Медь снижает усадку материалапри спекании. При введении 2–3 % меди спекание происходит практически безизменения размеров изделия, что позволяет избежать или существенно снизитьобъем его последующей механической обработки. Увеличение массовой доли медисвыше 3 % сопровождается ростом изделий при спекании, рост достигается привведении 8 % меди.
Широкоеприменение нашли железоникелевые и железоникельмедные сплавы. Присадка кчистому железу 5 % никеля повышает прочность и твердость материала,оставляя его пластичность практически без изменений. При одновременномлегировании никелем и медью (Ni — 4 % и Си — 2 %) прочность на разрывобразцов с пористостью 10 % достигает 400–420 МПа, удлинение—7–8 %, твердость — 120–127 НВ. Такие же образцы, легированные только2 % меди, показывают следующие свойства при 10 % пористости:прочность на разрыв — 280–300 МПа, удлинение — 3–4 %, твердость —100 НВ. Наиболее благоприятное сочетание прочности и пластичностинаблюдается в сплавах содержащих от 1 до 5 % каждого из этих элементов.
В связи сосравнительно низкой прочностью и твердостью спеченных железных изделий,основная масса порошковых материалов на базе железа дополнительно легируетсяуглеродом, под действием которого спеченное железо приобретает способностьзакаливаться и во много раз повышать свою твердость и прочность.
Углеродистыепорошковые стали и стальные изделия могут быть получены непосредственнымвведением в железный порошок углерода в виде графита, сажи или чугунногопорошка, а также путем науглероживания изделий в процессе спекания илицементации после спекания. Наиболее распространен метод введения в порошковуюсмесь графита. Однако из-за неравномерного распределения графита по объемусмеси при смешивании стальные изделия в спеченном состоянии отличаютсянепостоянством свойств и структурных составляющих. Наиболее насыщенныеуглеродом микрообъемы аустенита располагаются вблизи графитовых включений, чтоспособствует появлению в структуре спеченной стали свободного избыточногоцементита и феррита в соотношениях, не соответствующих диаграмме состоянияжелезо—углерод.
При спеканиижелезографитовых изделий графит частично выгорает. Для уменьшения выгоранияприменяют графитосодержащие засыпки, углеродсодержашие среды. Кроме этого приприготовлении порошковой смеси в ее состав дополнительно вводят избыточноеколичество графита. Так, для получения стальных порошковых изделий с 0,4–0,45 %углерода при спекании в атмосфере конвертированного природного газа в смесьнеобходимо вводить до 0,85 % графита. При применении эндогаза с точнорегулированным потенциалом по углероду содержание графита в смеси должнопревышать заданное на 0,3–035 %. В связи с этим при приготовлении стальныхизделий в порошковую смесь взамен графита зачастую вводят сажистое железо ипорошок из чугунной стружки. Более высокая плотность сажистого железа и порошкачугунной стружки по сравнению с графитом позволяет получать более однороднуюсмесь, что обеспечивает стабильность структуры и свойств изделия.
К основнымфакторам, определяющим структуру и свойства порошковых углеродистых сталей,относятся температура, время и среда спекания. При содержании в смеси до1,0–1,2 % графита оптимальная температура спекания составляет1150–1200 °С, при содержании графита выше 1,2–1,5 % — 1050–1150 °С.Время спекания определяется масштабом садки и массой изделия.
Медь впорошковые стали (табл. 21.6) вводится в виде порошка чистой меди, омедненногографита, путем пропитки спеченных заготовок. В первых двух случаях при спеканиимедь, имея температуру плавления 1083 °С, находится в жидком состоянии ивзаимодействует с железом, образуя твердый раствор замещения на основе -железа с максимальной концентрацией меди в растворе до 8 %.
Медь понижаетконцентрацию углерода в перлите, сдвигая точки S и Е на диаграммежелезо—углерод (см. гл. 1) влево. При содержании в стали до 1 % меди онаспособствует усадке при спекании, при дальнейшем повышении ее концентрациинаблюдается рост спеченного изделия. Повышение в порошковых сталях углеродауменьшает влияние меди на рост спеченного изделия, что достигается образованиемв структуре сплава тройной железомедноуглеродистой фазы, которая расплавляясьпри 1100 °С, вызывает усадку. Введение углерода в железомедные сплавы такжерезко повышает прочность порошковых изделий, причем максимальное возрастаниесвойств наблюдается при содержании меди до 5–6 % и углерода до 0,3–0,6 %.Большое влияние на свойства спеченных изделий из медистой стали имеет методвведения меди. Более высокие свойства достигаются при использовании омедненногографита.
Введениеникеля в порошковые стали приводит к повышению механических свойств материала,что связано как с повышением прочности феррита, так и благоприятнымвоздействием никеля на состояние межчастичных границ. Никель способствует«рассасыванию» межчастичных границ, увеличению протяженности металлическогоконтакта, повышает усадку и плотность изделий.
Отличительнойособенностью хрома является высокая устойчивость его оксидов, температурадиссоциации которых почти достигает температуры плавления чистого хрома. Этоосложняет процесс спекания, особенно когда хром вводится в смесь в виде чистогопорошка хрома. Наличие оксидов затрудняет диффузионные процессы, а самоспекание необходимо производить при высоких температурах в остроосушенныхвосстановительных средах (водороде, диссоциированном аммиаке). Поэтомуструктура спеченных хромсодержащих сталей отличается повышенной гетерогенностьюи наличием фаз, которые по среднему составу материала не отвечают равновеснойдиаграмме его состояния.
К числуосновных характеристик, определяющих возможность перевода изготовления деталейс традиционных технологий на порошковые, относятся точность производства имеханические свойства порошковых материалов.
Точностьизготовления порошковых деталей определяется в основном точностью прессовогооборудования, стабильностью упругих последействий при холодном прессовании иобъемных изменений при спекании, износом пресс-форм, ростом линейных размеровполуфабрикатов и изделий при хранении.
Точностьразмеров холоднопрессованных брикетов при уплотнении «по давлению»соответствует для высотных размеров 12–14 квалитетам, для диаметральных — 6–8квалитетам; при уплотнении с ограничителем для высотных размеров — 12квалитету, для диаметральных 8–11 квалитетам.
Спеканиеприводит к снижению точности изделия на 1–2 квалитета. Для повышения точностипористых конструкционных изделий применяют калибрование заготовки путем обжатияв калибровочных пресс-формах при припуске 0,5–1,0 %. Усилие калиброваниясоставляет 10–25 % усилия холодного прессования. Упругое расширение послекалибрования достигает 0,1 %.
Точностьлинейных размеров изделий после горячей штамповки в основном определяется точностьюпресс-инструмента.
Глава 3. ПРИМЕРЫИЗВЛЕЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗА ИЗ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
3.1 Извлечение железа из использованныхавтомобильных шин
/>
Схема потребления первичных н вторичных железосодержащих материалов припроизводстве железа и стали в США в 1976 г. (в миллионах американских тонн железа, 1 т = 907,2 кг)
1 — установка для агломерации железной руды; 2 — колошниковая пыль (доменных печей); 3 — шлак (сталеплавильных печей); 4 — окалина (прокатных станов); 5 — первичная руда, 6 — установка прямого восстановления; 7 — шлаковый скрап (сталеплавильныхпечей); 8 — другой скрап(сталеплавильных печей и прокатных станов); 9 — Доменные печи; 10 — сталеплавильные печи
3.2 Железный порошок из отходов механическойобработки
Как с точкизрения экономической, так и экологической существует потребность в разработкепроцесса прямого превращения отходов механической обработки, таких как мелкаястружка, в порошок, который может быть использован в порошковой металлургиижелеза. По оценке одна только фирма «Форд Мотор Ко» производит на разныхзаводах 105 000 т стружки низколегированной стали, которая поступает в продажуна рынок в качестве скрапа, используемого для загрузки в печь лри некоторыхпроцессах плавления. Однако применимость такого сырья ограничивается высокимсоотношением его объема к массе и присутствием остатков машинного масла.
Различныекомпоненты сплавов, присутствующие в стружке, представляют собой источникценных элементов, конечно в том случае, если имеются экономичные методы ихизвлечения. В процессе плавления большинство компонентов сплавов окисляется итеряется со шлаком. Непосредственное превращение опилок в порошок безпромежуточной плавки является более чистым процессом, не загрязняющимокружающую среду и позволяющим достигать 100 % выделения ценных компонентов.Этот процесс является также более экономичным, поскольку при существующихрыночных ценах производство порошка из опилок приводит к получению значительнойприбыли. Однако предпринимавшиеся до сих пор попытки применения железногопорошка, произведенного из опилок, в стандартных процессах порошковойметаллургии не увенчались успехом.
Для решенияуказанной проблемы предназначен процесс, который заключается в воздействииудара на металлургическую стружку при температурах ниже температуры перехода отпластичного к хрупкому состоянию, в результате чего происходит образованиеметаллического порошка. Металлическую стружку подвергают воздействию удара надвух стадиях (например с использованием шаровой мельницы).
/>
Обычно в качестве сырья используют стружку с отношением площадиповерхности к объему не менее 60: 1. В качестве сырья может быть такжеиспользован и мелкий скрап—частицы шириной 0,25—2,5 см, толщиной 0,15—0,8 мм идлиной 2,5—250 см. Стружку, имеющую высокое отношение поверхности к объему, какправило, в электрической печи не плавят ввиду низкой эффективности этогопроцесса.
Можно также перерабатывать скрап с большим размером частиц, хотя притолщине металла более 0,8 мм возникают существенные трудности при измельчении,приводящие к повышению капиталовложений в процесс. Используемые частицы скрападолжны иметь приблизительно одинаковый химический состав; лучше всегоиспользовать скрап, получаемый в результате обработки одной и той же партииметалла.
Частицы сырья 1 по линии 4 подают в шаровуюмельницу 3 или в другоеустройство для измельчения. При подаче сырья добавляется замораживающий агент5, например жидкий азот, который разбрызгивается непосредственно на частицыметалла. В результате контакта с жидким азотом металлические частицы мгновеннозамерзают. Подача жидкого азота на сырье осуществляется равномерно на всем егопути до места измельчения.
При вращении корпуса мельницы 2 железные шары разбивают замороженные частицы металла 7 и измельчают ихв порошок. Этот процесс достаточно длительный. Получаемый порошок 8 обычно состоит из мелкой и более грубой фракций. Частицы в обеихфракциях имеют конфигурацию зерен или пластинок.
Вторую стадию измельчения как правило также проводят в шаровоймельнице, но при комнатной температуре. Мелющие элементы 9 представляют собой твердые шары диаметром ~ 1,2 см с антиокислительным железным или медным покрытием. Покрытия должны отвечать следующимтребованиям: 1) иметь меньшую твердость, чем покрываемый порошок, чтобы приударе частицы шаровых элементов переходили на порошок; 2) полностьюрастворяться в металле, из которого состоят частицы порошка; 3) легкоочищаться; 4) обладать антиокислительными свойствами.
Были проведены эксперименты с использованием цилиндрической камеры 7,5Х 15 см; объем загружаемого порошка составлял ~15 см3, времяизмельчения 48 ч. Время и скорость измельчения зависят от объема мельницы,диаметра железных или медных мелющих элементов и скорости вращения. На второйстадии измельчения достигаются две цели: создается антиокислительное покрытиена каждой частице порошка и проводится холодная обработка крупных частиц. Приударе частицы меди или железа, входящие в состав шаровых мелющих элементов 9, переносятся практически на каждую частицу порошка 8, создавая на ней защитную оболочку. Мелкие частицы порошка при трении ошаровые элементы соскребают с них медь или железо и таким образом такжеприобретают защитную оболочку. Диаметр шаров 9 должен по меньшей мере в 50 раз превышать максимальный размер любой изчастиц криогенного порошка 8.
В результате измельчения также происходит искусственное образованиедефектов кристаллической решетки практически во всех частицах порошка, имеющихразмер более 124 мкм. Измельчение следует проводить таким образом, чтобыпрактически каждая крупная частица имела хотя бы один дефект кристаллическойрешетки. Эта цель достигается вращением корпуса 2 с такой скоростью, чтобы истирающая сила, действующая на шаровыеэлементы, имела определенное заданное значение.
Порошок, полученный на второй стадии измельчения, прессуют обычнымпрессом 10 до получения заданной плотности, желательно 6,6 г/см3.Для этого необходимо прессующее усилие 3,3—3,9 МПа. Наличие медной или железнойоболочки на частицах порошка облегчает прессование. Для получения плотности 6,4г/м3 при прессовании порошка без покрытия требуется усилие 4,3 МПа;при прессовании порошка с покрытием при действии той же силы достигаетсяплотность 6,6 г/см3.
Форма для прессования 11 изготавливается с соответствующим допуском на усадку продуктапрессования. Величина усадки может контролироваться в пределах 0—15 %. Форма для прессования // подается в печь 12 для спекания, где нагревается при высокой температуре, например вслучае криогенного порошка на основе железа до 1100—1150 °С. Температура, докоторой нагревается порошок, должна по меньшей мере находиться в областипластичности металлических компонентов порошка (обычно нагревание проводят дотемпературы спекания). В печи желательно создавать защитную атмосферу,используя для этой цели инертные газы или газы-восстановители.
При температуре спекания происходит диффузия атомов между частицамипорошка, особенно в местах контакта твердых частиц. Атомы одной частицыпереходят и заполняют дефекты кристаллической решетки в другой контактриуемой сней частице. Дефекты кристаллической решетки образуются в результате холоднойобработки на предыдущей стадии. Наличие дефектов увеличивает скорость диффузииболее чем в 100 раз. Подсчитано, что по меньшей мере 60 % общего улучшенияфизических свойств в результате спекания обусловлено предварительнойконтролируемой холодной обработкой грубых частиц порошка. Повышение скоростидиффузии приводит к увеличению усадки.
Оболочка из железа или меди, создаваемая на частицах порошка,препятствует окислению содержащихся в них компонентов, в частности таких какмарганец и кремний. При использовании шаровых мельниц со стандартнымипараметрами (размеры мельницы и шаров, скорость вращения), как показываютрасчеты, практически каждая частица криогенного порошка будет покрытанепроницаемой оболочкой из меди или железа. Однако для улучшения свойствполучаемого продукта нет необходимости в том, чтобы эта оболочка была полностьюнепроницаемой.