24.6. Физико-химические методы получения порошков

К физико-химическим методам относят технологические процессы производства порошков, связанные с глубокими физико-химическими превращениями исходного сырья. В результате получаемый порошок по химическому составу и структуре существенно отличается от исходного материала. Основными являются методы восстановления, электролиз и термическая диссоциация карбонилов.

Восстановленный металлический порошок – это порошок, полученный восстановлением химических соединений металлов путем отнятия неметаллической составляющей (кислорода, солевого остатка и др.) при помощи какого-либо вещества, называемого восстановлением.

В общем случае простейшую реакцию восстановления можно представить как

МеА + Х  Ме + ХА Q

где Ме – металл, порошок которого необходимо получить; А – неметалл; МеА – соединение; Х – восстановитель; Q – тепловой эффект реакции.

Пример: ZrO₂ + 2 Ca = Zr + 2 CaO + Q

К количеству порошков предъявляются определенные требования. Порошки характеризуются химическими, физическими и технологическими свойствами, знание которых позволяет создать объективное представление о совокупности огромного числа частичек вещества и является необходимым условием правильной организации технологических процессов в порошковой металлургии.

К перечисленным свойствам относят газосодержание, влажность, воспламеняемость, взрываемость, токсичность, форма и размер частиц, плотность удельная поверхность, микротвердость, насыпная плотность, плотность утряски, текучесть, уплотняемость, прессуемость, формуемость.

24.7. Формирование и спекание порошков

Формирование порошка – технологическая операция, в результате которой металлический порошок образует порошковую формовку – тело, полученное из порошка и имеющее заданную форму, размеры и плотность.

Процессы подготовки порошков к формованию занимают важное место в общей схеме производства из них материалов и изделий. Порошки производят на специализированных заводах и практически невозможно учесть все те требования, которые предъявляют к порошкам различные потребители. Во всех случаях необходимы специальные операции подготовки для придания порошку определенных химических и физических характеристик, обеспечивающих выпуск из него продукции с нужными конечными свойствами.

Основными операциями при подготовке порошков к формованию являются обжиг, классификация (рассев) и смешивание (т.е. приготовление смесей).

Прессование порошка – формирование порошка в пресс-форме под давлением.

Для идеальной прессовки (т.е. при отсутствии внешнего трения) зависимость относительной плотности прессовки ₀ от давления р имеет вид

где - максимальное (критическое давление прессования, соответствующее максимальному уплотнению);

m – показатель прессования.

Процесс получения прессовки с заданными размерами и формой складывается из следующих основных операций:

- расчета навески и дозировки порошка,

- засыпки порошка в матрицу пресс-формы,

- прессования,

- удаления прессовки из матрицы пресс-формы.

Спекание это нагрев и выдержка порошковой формовки при температуре ниже точки плавления основного компонента с целью обеспечения заданных механических и физико-химических свойств.

Спекание  третья (заключительная) из основных технологических, при операций, характеризующих сущность метода порошковой металлургии. В процессе спекания порошковая масса превращается в прочное порошковое тело со свойствами, приближающимися к свойствам компактного (беспористого) материала.

Нагрев порошковых формовок или свободно насыпанного порошка приводит к реализации в них сложного комплекса разнообразных физико-химических явлений, протекающих одновременно или последовательно: устранение дефектов кристаллической решетки (залечивание пор, уменьшение числа вакансий, перераспределение дислокации и др.). Во время спекания происходит изменение размеров, структуры и свойств исходных порошковых тел, протекают процессы поверхностной, граничной и объемной само- и гетеродиффузии, осуществляется массоперенос через газовую фазу, химические реакции, релаксация микро- и макронапряжений, рекристаллизация частиц и др.

Несмотря на накопленный большой практический опыт получения порошковых материалов, создать единую универсальную теорию спекания порошков до сих пор не удалось из-за многообразия фактов, оказывающих влияние на механизмы изменений, сопровождающих нагрев порошкового тела.