Metalurgia proszków – przegląd metody

0

Proces metalurgii proszków pozwala otrzymać różne kształty, takie jak: diamentowy, klinowy, prostokątny lub kolisty. Metalurgią proszków nazywamy metodę wytwarzania metali z ich proszków, bez przechodzenia przez stan ciekły. Oddzielne ziarna proszków łączą się ze sobą w jednolitą masę podczas wygrzewania silnie sprasowanych kształtek w atmosferze redukującej lub obojętnej. Proces metalurgii proszków jest ekonomiczną metodą pozwalającą produkować elementy o niewielkich prostych kształtach, w wyniku której uzyskuje się w pełni zwarte sprasowane komponenty. Technologia ta pozwala otrzymać strukturę czystą, bez wtrąceń i defektów. Produkty PM posiadają wyjątkowe właściwości mechaniczne i odporność na zużycie, stosowane są w wielu branżach takich, jak przemysł lotniczy i kosmonautyczny, przemysł drzewny (zęby pił) itp.

Metodę tą najczęściej wykorzystuje się wtedy, gdy metody topnienia i odlewania zawodzą. Z tego powodu metodami metalurgii proszków wytwarza się:

  • metale trudno topliwe jak np. wolfram, molibden, tantal, iryd;
  • spieki metali i niemetali wykazujących znaczne różnice temperatury topnienia jak np. materiały na styki elektryczne z wolframu i srebra, szczotki do maszyn elektrycznych z grafitu i miedzi;
  • materiały porowate na łożyska samosmarujące;
  • materiały, które w stanie ciekłym są gęstopłynne i trudne do odlewania jak np. materiały na specjalne magnesy trwałe.

Metalurgia proszków jest droga, ale daje materiały wysokiej jakości i dużej czystości. Dzięki tej metodzie można produkować przedmioty bez strat materiałów na wióry, nadlewy, ścinki itp. Produkcja spieków dzieli się na wytwarzanie proszków metali, prasowanie, spiekanie.
Stosowane są różnorodne metody:

  • mechaniczne sposoby wytwarzania, polegające na rozdrobnieniu materiałów przez mielenie, piłowanie, rozpylanie itp.
  • Procesy chemiczne i fizykochemiczne, jak np. kondensacja par metalu, redukcja chemiczna tlenków, elektroliza itp.

Często proszki uzyskane w drodze chemicznej mogą być jeszcze rozdrobnione mechanicznie lub być oczyszczane chemicznie.

 

1. METODY MECHANICZNE

MIELENIE polega na kruszeniu materiału w prasach lub łamaczach, a następnie mieleniu w młynach kulowych z porcelany z kulami porcelanowymi lub ze stali. Najbardziej optymalne rezultaty mielenia otrzymuje się przy przerabianiu materiałów kruchych. Wytworzone w ten sposób proszki są przydatne w przemyśle.
Mielenie można też realizować w młynach wirowo-udarowych. W komorze takiego młyna wirują w przeciwnych kierunkach dwa śmigła z twardych stopów. Materiały są zgarniane przez śmigła i wirujący gaz oraz rozdrabniane przy uderzaniu o siebie. Mielenie w takich młynach ma nawet zastosowanie do materiałów plastycznych.

ROZPYLANIE jest rozdrabnianiem wypływającego z dyszy ciekłego metalu za pomocą gazu lub cieczy. Wypływający z dyszy cienki strumień metalu wpada na wirujące noże tarczy, które rozbijają go na drobne cząstki.
Poprzez regulowanie ciśnienia metalu, wody oraz prędkości obrotowej tarczy, można uzyskać proszki o różnych wymiarach ziaren.

2. METODY CHEMICZNE

REDUKCJA ZWIĄZKÓW CHEMICZNYCH W PODWYŻSZONEJ TEMPERATURZE przeprowadzana jest w piecach z atmosferą redukującą w podwyższonej temperaturze. W urządzeniach tych redukowany tlenek lokuje się w łódeczkach metalowych, przesuwanych ruchem ciągłym przez długą komorę pieca w przeciwnym kierunku do ruchu gazu. Metoda ta ma zastosowanie do wytwarzania proszków wolframu, molibdenu, niklu, kobaltu i miedzi.
REDUKCJA STOPIONYCH SOLI. Tą metodą można otrzymać proszki berylu, tytanu, cyrkonu, niobu, tantalu i uranu poprzez stopienie pod znacznym ciśnieniem pewnych soli tych metali z metalami alkalicznymi (sód, potas) lub metalami ziem alkalicznych (magnez, wapń). Najczęściej stosowanymi solami są: chlorki, fluorki lub sole podwójne. Produkt filtruje się i później oczyszcza.
WYTWARZANIE WĘGLIKÓW polega na ogrzewaniu proszków metali zmieszanych z drobną sadzą w temperaturze 1300 2200 C. W ten sposób produkuje się proszki węglików molibdenu, wolframu, tytany i inne. Wytworzone ta metodą proszki stosowane są do wyrobów materiałów twardych.

 

3. METODY FIZYKOCHEMICZNE

W drodze procesów fizykochemicznych wytwarzane są proszki o wyższej czystości. Procesy te polegają na zestalaniu par metali (kondensacji) co prowadzi do uzyskania proszków jeszcze drobniejszych niż w procesie rozpylania.
Metoda taka jest stosowana w wyrobie proszków cynku. Tlenek cynku jest redukowany węglem, a odparowujący cynk ulega następnie zestalaniu w postaci drobnego proszku, który pokrywa się cienką błonką tlenku, zabezpieczającą go przed spieczeniem.
METODA KARBONYLKOWA polega na działaniu tlenku węgla na rudy żelaza lub niklu. Efektem takiego procesu są ciekłe związki, tzw. karbonylki. Do wytwarzania proszków stosuje się przeważnie czterokarbonylek niklu lub pięciokarbonylek żelaza. Związki te w podwyższonej temperaturze nie są trwałe i ulegają łatwo rozkładowi na metal i tlenek węgla. Metal wydziela się w postaci proszku w specjalnych zbiornikach, a gazowy tlenek węgla znów przeprowadza proces. Metoda ta stosowana jest głównie do żelaza i niklu, ale pozostałe metale tworzą także karbonylki. Proszki tak produkowane mają znaczną czystość, dlatego stosuje się je do wyrobu materiałów magnetycznych, próżniowych, elektrycznych, itp. Ze względu na ich dobrą prasowalność służą także do produkowania materiałów o różnorodnych kształtach.
METODA ELEKTROLITYCZNA. W zależności od stanu i rodzaju elektrolitu rozróżnia się dwie odmiany:

  • metoda wydzielania proszków z roztworów wodnych soli – stosuje się do wytwarzania proszków niklu, kobaltu, żelaza, srebra, miedzi.
  • metoda wydzielania proszków ze stopionych w podwyższonej temperaturze soli metali- stosuje się do uzyskiwania tantalu, niobu, wanadu, cyrkonu, toru, tytanu i uranu

W zależności od warunków elektrolizy uzyskuje się albo kruchy osad na katodzie, rozdrabniany później mechanicznie, albo proszek osadzający się na dnie wanny.
Metoda tego rodzaju jest metodą przemysłową.
WYTRĄCANIE ELEKTROCHEMICZNE. Proszek metalu wydziela się z roztworu soli przez wytrącanie go innym metalem, np. za pomocą miedzi wytrąca się srebro z roztworu wodnego azotanu srebra. Uzyskane w ten sposób proszki podlegają następnie intensywnemu rozdrabnianiu w młynach. Tą metodą wytwarza się proszki srebra, złota, platyny i cyny.W przypadku uranu, toru, cyrkonu i berylu stosuje się wytrącanie proszków w podwyższonej temperaturze ze stopionych soli tych metali.
DYSOCJACJA TERMICZNA pozwala uzyskać proszki metali ze związków nietrwałych w wyższej temperaturze przez dysocjację termiczną.

Poprzez sprasowanie proszków uzyskuje się zbliżenie krystalitów, powiększenie powierzchni ich styku oraz czyszczenie powierzchni styku przez mechaniczne zdarcie tlenków z sąsiadujących ze sobą cząstek. Do prasowanych mas dodaje się składniki zmniejszające tarcie (grafit, stearyny, gliceryny, alkohol, eter, aceton, benzol, benzynę, kamforę w ilościach nie przekraczających 1% mas) oraz stosuje się dwustronne prasowanie w celu zmniejszenia różnic gęstości. Za pomocą pras, pod znacznym ciśnieniem z proszków formuje się kształtki. Obecnie znane jest prasowanie jednostronne lub dwustronne. Bezpośrednio przed procesem zagęszczania proszki metali podlegają zabiegom polepszającym stan ich powierzchni, a nawet zmniejszającym stopień zanieczyszczeń (np. przemywanie woda destylowana oraz redukcja wodorem w podwyższonej temperaturze). Następną operacją jest mechaniczne mieszanie w mieszalnikach lub młynach kulowych, na sucho lub na mokro. Prasowanie odbywa się następnie w matrycach stalowych przy użyciu pras o napędzie mechanicznym lub hydraulicznym zazwyczaj w temperaturze pokojowej. Ciśnienie stosowane zwykle w procesach technologicznych wynosi zwykle 1000 10000 at, a czasem dochodzi do 15 000 at.

Spiekanie polega na obróbce cieplnej uformowanych w matrycach kształtek. Układy jednoskładnikowe spieka się w temperaturze wynoszącej 2/3 do 4/5 bezwzględnej temperatury topnienia. Łączenie ziaren następuje bez przechodzenia przez fazę ciekłą. Więcej o technologii spiekania dowiesz się tutaj.
Układy wieloskładnikowe można spiekać bez udziału fazy ciekłej lub z jej udziałem. Prasowanie i spiekanie może stać się jedną operacją. Jest to prasowanie w podwyższonej temperaturze lub spiekanie pod ciśnieniem. Dzięki temu otrzymany materiał jest w niewielkim stopniu porowaty, a jego własności fizyczne i wytrzymałościowe są znacznie lepsze niż w sytuacji stosowania rozdzielnych operacji prasowania i spiekania. Problemem bywa wytrzymałość matryc na wysoką temperaturę.

Udostępniaj.

O autorze

Roman Polkowski

Możliwość komentowania jest wyłączona.