Химические методы получения порошкообразных материалов и извлечения железа

ВВЕДЕНИЕ

Как с точки зрения экономической, так и экологической существует потребность в разработке процесса прямого превращения отходов механической обработки, таких как мелкая стружка, в порошок, который может быть использован в порошковой металлургии железа. По оценке одна только фирма «Форд Мотор Ко» производит на разных заводах 105 000 т стружки низколегированной стали, которая поступает в продажу на рынок в качестве скрапа, используемого для загрузки в печь при некоторых процессах плавления.

Глава 1. ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Основным сырьем порошковой металлургии являются порошки чистых металлов и сплавов, а также 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 из них или их смесей с неметаллическими порошками». Порошковая металлургия -- один из наиболее прогрессивных процессов превращения металла в изделие, с помощью которого обеспечиваются свойства изделия, полученного традиционными методами, или свойства, которые не могут быть достигнуты при использовании иных технологических процессов.

Применение технологических процессов порошковой металлургии при изготовлении деталей и изделий различного назначения позволяет резко повысить коэффициент использования металла (КИМ) -- до 96-98 % за счет сокращения отходов при обработке, а также возможного передела отходов в исходный материал (порошок); во многих случаях заменить дефицитные и дорогостоящие металлы и сплавы менее дефицитными и дорогими, понизить энергоемкость и трудоемкость производства, а следовательно, уменьшить себестоимость готовой продукции без снижения, а в ряде случаев -- даже при повышении ее эксплуатационных свойств.

К химическим методам получения порошков относится восстановление оксидов и солей металлов твердыми или газообразными восстановителями, диссоциация карбонилов и неустойчивых соединений, металлотермия. Большую группу порошков -- олово, серебро, медь и железо -- получают методами электролитического осаждения металлов в виде порошка из водных растворов солей, а также электролизом расплавленных сред (тантал, ниобий, уран и др.).

К механическим методам получения порошков относятся измельчение металла резанием, размол в шаровых, вибрационных, конусно-инерционных и других мельницах и дробилках, распыление струй жидкого металла сжатым паром, газом, водой.

Выбор метода определяется возможностью получения порошка необходимого качества и экономической целесообразностью применения того или иного метода. Наибольшее распространение получили химические методы и методы распыления, которые при минимальных затратах обеспечивают получение целой гаммы порошковых металлов и сплавов со свойствами широкого диапазона.

Возможность применения порошка для изготовления конкретных изделий определяется его свойствами, которые зависят от метода получения и природы металла порошка. Металлические порошки характеризуются технологическими, физическими и химическими свойствами.

К технологическим свойствам, согласно ГОСТ 19440-94, относятся: насыпная плотность, представляющая собой массу единицы объема свободно насыпанного порошка; относительная плотность -- отношение насыпной плотности и плотности металла в беспористом состоянии; текучесть -- способность порошка заполнять определенную форму, выражающуюся через число граммов порошка, протекающего за 1 с через воронку с диаметром выходного отверстия (носика воронки) 2,5 мм; прессуемость (ГОСТ 25280-90) -- способность порошка под давлением сжимающих усилий образовывать заготовку заданной формы и размеров (формуемость) с минимально допустимой плотностью (уплотняемость).

К физическим характеристикам порошков относятся форма и размер частиц порошков. Они могут резко различаться по форме (от нитевидных до сферических) и размерам (от долей до сотен и даже тысяч микрометров). Важная характеристика порошков -- гранулометрический состав, под которым понимается соотношение количества частиц различных размеров (фракций), выраженное в процентах. Размеры частиц порошка обычно составляют 0,1-100 мкм. Фракции порошков размерами более 100 мкм называют гранулами, менее 0,1 мкм -- пудрой. Определение гранулометрического состава может производиться с помощью просеивания порошка через набор сит (ГОСТ 18318-94). Этот метод применим к порошкам размерами более 40 мкм; для более дисперсных порошков применяется метод седиментации (ГОСТ 22662-77) и микроскопический анализ с помощью оптического или электронного микроскопа (ГОСТ 23402-78). Также к физическим характеристикам относится удельная поверхность порошков, под которой понимают суммарную поверхность всех частиц порошка, взятого в единице объема или массы.

К химическим характеристикам относятся химический состав порошка (как порошка чистого металла, так и порошка сплава), определение которого производится по методикам соответствующих компактных (беспористых) металлов и сплавов.

К химическим характеристикам относят также пирофорность -- способность порошка самовозгораться при соприкосновении с воздухом -- и токсичность -- ядовитость порошков. Если в компактном состоянии большинство металлов безвредны, то в порошковой форме, попадая в атмосферу помещений, они образуют аэрозоли, которые при вдыхании воздуха или приеме пищи могут вызывать болезненное состояние.

Широкое применение имеют порошки меди, никеля и других металлов. Согласно ГОСТ 4960-75 выпускаются и применяются следующие порошки меди: ПМА, ПМАу, ПМС-1у, ПМС-Н и т. д. Химические составы этих марок порошков приведены в табл. 21.2. Здесь в названии марок две первые буквы обозначают порошок медный (ПМ), следующие: С -- стабилизированный, К -- конопаточный, Н -- низкодисперсный; индексы, в частности у, Н, В и др. -- со специальными свойствами. В табл. 21.3 даны области применения этих порошков.

Медный порошок не должен иметь посторонних примесей и комков и по цвету соответствовать образцу, согласованному изготовителем и потребителем. Удельное электрическое сопротивление медного порошка марки ПМА не должно превышать 25 мкОм? м.

1.1 Принципы отбора изделий для изготовления методами порошковой металлургии

В связи с ограниченными возможностями формообразования деталей при изготовлении их методами порошковой металлургии важное значение приобретают принципы отбора деталей, переводимых на изготовление их методами порошковой металлургии. При этом необходимо учитывать ряд факторов -- материал, применяемый при их изготовлении, режимы их термической и химико-термической обработок и обработки резанием, условия и режимы эксплуатации изделия. Одним из определяющих факторов является сложность их формы. Общие требования к форме деталей изложены в ГОСТ 29278-92 («Изделия порошковые. Конструктивные элементы»). В зависимости от применяемых конструктивных элементов изделия порошковой металлургии различают простой, сложной и особо сложной форм.

К изделиям простой формы относятся:

· изделия без переходов по высоте;

· изделия без отверстия или с одним отверстием и с торцами, ограниченными параллельными плоскостями.

Дополнительными конструктивными элементами изделий простой формы являются стенки, фаски, пазы и зубья.

К изделиям сложной формы относятся:

· изделия с одним переходом по высоте, без отверстия и с торцами, ограниченными параллельными плоскостями;

· изделия с одним или несколькими отверстиями, с одним переходом по высоте и торцами, ограниченными параллельными плоскостями.

К изделиям особо сложной формы относятся:

· изделия с двумя или более переходами и буртами по высоте, с торцами, ограниченными параллельными или непараллельными плоскостями, криволинейными плоскостями;

· изделия, ограниченные одной или более коническими, сферическими и другими криволинейными поверхностями.

Дополнительными конструктивными элементами изделий сложной и особо сложной формы являются стенки, фаски, пазы, зубья, бурты, выступы, уклоны, углубления в торцах.

В зависимости от сложности формы изделий, отходы при производстве и затраты на механическую обработку могут перекрывать другие преимущества порошковой металлургии. Применение порошковых методов изготовления изделий будет оправдано только тогда, когда в общей технологии изготовления достигается положительный экономический эффект или другие методы изготовления не обеспечивают заданных свойств.

Оценка экономической целесообразности изготовления изделий простых и сложных форм методами порошковой металлургии не представляет особых сложностей и в основном отражает их серийность. В случае изготовления изделий особо сложной формы рентабельность производства дополнительно определяется затратами на изготовление деталей пресс-форм, которые возрастают по мере усложнения формы порошковых изделий, необходимостью применения специальных прессов, например, прессов с боковым давлением и т. п., повышенными затратами на механическую обработку. При прессовании в пресс-формах круп-ных деталей относительная стоимость изделия резко увеличивается, так как требуется применение более мощных (обычно гидравлических) прессов, которые, как правило, тихоходны, что снижает производительность труда. В связи с тем что при прессовании порошков применяются высокие давления (500-1000 МПа), площадь поверхности, на которую прикладывается давление прессования, лимитируется размерами пресс-формы и мощностью пресса.

Конструктор при проектировании порошковых изделий должен учитывать возможные изменения размеров при прессовании и спекании порошковых заготовок, величины которых в большинстве случаев определяются экспериментально, и назначать более жесткие и легко воспроизводимые допуски, определенные в ГОСТ 29278-92. Установлено, что методами порошковой металлургии можно получать готовые изделия без механической обработки отклонением перпендикулярно к направлению прессования в пределах от 0,025 до 0,130 мм на длине 25 мм. Более жесткие отклонения могут быть получены с помощью специальных методов порошковой металлургии -- повторного прессования (калибрования) после спекания или динамического горячего прессования, горячей штамповки. Шероховатость прессованных изделий зависит от шероховатости рабочих поверхностей деталей пресс-форм. Внешние поверхности порошковых изделий имеют практически ту же шероховатость, что и рабочие поверхности матрицы, знаков, сердечников и других элементов пресс-формы.

Порошковые материалы, используемые для изготовления изделий конструкционного назначения, могут быть разделены на две группы: 1) для изготовления изделий в целях замены обычных углеродистых и легированных сталей, чугунов, некоторых цветных металлов и сплавов и 2) материалы со специальными свойствами, получить которые можно только при производстве изделий методами порошковой металлургии.

Наиболее характерными деталями первой группы являются шатуны, шестерни, храповики, кулачки, ригеля, накидные и специальные гайки, рычаги и многие другие, которые выпускаются промышленностью методами литья и механической обработки. Изготовление деталей этой группы рентабельно только при массовом производстве одинаковых изделий, так как изготовление пресс-форм, установка их на пресс и отладка 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 до 2000 и более прессовок в ч, то на смену инструмента (пресс-формы) и его наладку затрачивается от 1-2 до 20-30 ч. В связи с этим, принято считать, что изготовление изделий методами порошковой металлургии может быть оправдано в том случае, если эти изделия составляют в серии 10 000-50 000 штук (простой формы), 5000-10 000 штук (сложной формы) и 500-1000 штук (особо сложной формы). В некоторых случаях производство более мелких партий порошковых изделий связано со сложностью или невозможностью изготовления изделий традиционными методами, а используемые порошковые технологии снижают себестоимость, материалоемкость и энергозатраты и повышают производительность труда,

Глава 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

В зависимости от плотности и назначения порошковые материалы подразделяются на две группы: 1) плотные -- материалы с минимальной пористостью, изготовленные на базе порошков железа, меди, никеля, титана, алюминия и их сплавов; и 2) пористые, в которых после окончательной обработки сохраняется свыше 10-15 % пор по объему. Первая группа материалов нашла широкое применение в машино- и приборостроении, автомобильной и авиационной технике и других отраслях оборонного и общегражданского производства. Высокая пористость материалов второй группы обеспечивает приобретение ими специальных свойств и позволяет применять их для изготовления специальных изделий (изделий антифрикционного назначения, фильтров, деталей охлаждения и т. п.). При производстве этой группы деталей применяются железографитовые материалы, бронзы, нержавеющие стали.

Особое значение имеют инструментальные порошковые материалы. К их числу относятся порошковые быстрорежущие стали, карбидостали, твердые сплавы, материалы на основе сверхтвердых соединений (нитридов, боридов и т. д.) и алмазные материалы.