расплава алюминия хлором. Образующийся парообразный хлористый алюминий, проходя через расплавленный металл, обволакивает частички примесей, которые всплывают на поверхность металла и их удаляют. Хлори-рование алюминия способствует удалению газов, растворённых в алюминии.

Затем жидкий алюминий выдерживают в ковше при температуре 700 – 730 °С для всплывания неметаллических включений и выделения газов из металла. После рафинирования чистота алюминия составляет 99,5 – 99,8%. Для большинства потребителей алюминия такой чистоты вполне пригоден. Однако, для отдельных отраслей современной техники нужен алюминий более высокой чистоты. Такой алюминий получают электролитическим рафинированием, при котором загрязненный алюминий служит анодом и подвергается растворению и осаждению на катоде, а чистый алюминий является катодом. При таком рафинировании получают алюминий чистотой 99,996%.

При необходимости получить алюминий более высокой чистоты применяют метод зонной плавки или дистилляции алюминия.

При зонной плавки из алюминия электролитического рафинирования отливают прутки и помещают в кварцевую трубку, в которой создают вакуум. Вокруг трубки располагают индуктор, соединенный с источником электрического тока высокой частоты (ТВЧ). Под индуктором пруток расплавляется и возникает зона жидкого алюминия, а остальная часть прутка остается твердой. Индуктор передвигается вдоль прутка с определенной скоростью и зона жидкого алюминия перемещается. При этом примеси концентрируются в расплаве и вместе с ним передвигаются к концу слитка. Затем слиток извлекают и конец отрезают. Оставшаяся часть состоит из алюминия высокой чистоты (99,9999%).

При применении способа дистилляции алюминия рафинирование его осуществляется через так называемые субсоединения путем пропускания парообразных хлористого и фтористого алюминия над расплавленным алюминием при температуре 1000 °С и выше.

Эти субсоединения при охлаждении разлагаются на алюминий и хлористый или фтористый алюминий. Примеси, содержащиеся в черновом алюминии, не перегоняются. Этим способом получают алюминий очень большой чистоты

(99,99999%).

Последние два метода рафинирования дороги и малопроизводительны. Они используются для очистки лишь небольшого количества металла, необходимого для изготовления полупроводников и других ответственных изделий.

8.3 Производство магния

Магний получают электролизом из его расплавленных солей.
Основным	сырьем для	получения магния	являются	карналлит
(MgCl2 KCl 6H2 O) , магнезит		(MgCO3), доломит (CaCO3 MgCO3 ) ,		бишофит
(MgCl2 6H 2 O) .	Наибольшее распространение получил карналлит,			который
предварительно	обогащают	и обезвоживают.	Безводный	карналлит

(MgCl2 KCl) используют для приготовления электролита.

Основной составляющей электролита является хлористый магний. Для снижения температуры плавления электролита и повышения его электропрово-

дности в состав электролита вводят NaCl, CaCl2, KCl. Большое распространение получил четырехкомпонентный электролит состава 10% MgCl2, 45% CaCl2, 30% NaCl, 15% KCl с небольшими добавками NaF и CaF2.

Электролиз осуществляют в электролизере, футерованном шамотным кирпичом (рисунок 46).

Анодами служат графитовые пластины, а катодами – стальные пластины. Электролизер заполняют расплавленным электролитом, через который пропускают электрический ток. В результате разложения хлористого магния образуются ионы хлора, которые движутся к аноду. Ионы магния движутся к катоду и после разряда выделяются на поверхности, образуя капельки жидкого чернового магния. Магний имеет меньшую плотность, чем электролит, поэтому он всплывает на поверхность, откуда его периодически удаляют с помощью вакуумного ковша. Чтобы избежать взаимодействия хлора с магнием, а также короткого замыкания анода и катода расплавленным магнием, вверху устанавливают специальную разделительную диафрагму.

Черновой магний содержит около 5% примесей. Поэтому его рафинируют переплавкой с флюсами, состоящими из MgCl2, KCl, BaCl2, CaF2, NaCl, CaCl2. Для этого черновой магний и флюс нагревают в электропечи до 700 – 750 °C и перемешивают. В результате неметаллические примеси переходят в шлак. После этого печь охлаждают до температуры 670 °C и магний разливают в изложницы.

8.4 Производство титана

Титан и его сплавы являются ценными конструкционными сплавами. По сочетанию свойств они превосходят многие легированные стали и сплавы металлов. Получение металлического титана затрудняется его очень высокой химической активностью при повышенных температурах. Титан образует химические соединения и твердые растворы со многими элементами. Поэтому при производстве титана требуются особые условия, обеспечивающие достаточную чистоту производимого металла.

Для получения титана применяют магниетермический способ, который включает операции:

-получение титановых концентратов;

-производство титанового шлака;

-производство четыреххлористого титана;

-восстановление четыреххлористого титана магнием;

-вакуумная сепарация реакционной массы;

-плавка титановой губки в вакуумных печах.

Получение титановых концентратов. Титановые руды подвергают обо-

гащению, в результате которого получают концентраты с повышенным содержанием TiO2 . Наиболее распространенным сырьем для получения титана является титано-магнетитановые руды, из которых выделяют ильменитовый концен-

трат, содержащий 40 – 45% TiO2, 30% FeO, 20% Fe2O3 и 5 – 7% пустой породы.

Производство титанового шлака. Основное назначение этого процесса – отделение оксидов железа от оксида титана. Для этого ильменитовый концент-рат

плавят в смеси с древесным углём и антрацитом в электропечах, где оксиды железа и часть титана восстанавливаются по реакции:

3(FeO TiO2 ) +4C = 3Fe +Ti3O5 +4CO

Восстановленное железо науглероживается, образуя чугун, который собирается на дне ванны печи, отделяясь от остальной массы шлака вследствие различия их удельных весов. Чугун и шлак разливают отдельно в изложницы. Полученный титановый шлак содержит 80 – 90% TiO2.

Производство четырёххлористого титана. Для получения металличес-

кого титана используют хлорид титана, полученный путём хлорирования титанового шлака. Для этого титановый шлак измельчают, смешивают с углем и каменноугольным пеком, так как процесс хлорирования может проходить успешно только в присутствии восстановителя, и брикетируют при нагреве до 800 °С без доступа воздуха. Полученные брикеты подвергают хлорированию в специальных печах. В нижней части печи располагается угольная насадка, нагревающаяся при пропускании через неё электрического тока. В печь подают брикеты титанового шлака, а через фурмы – хлор.

При температуре 800 – 1250 °С в присутствии углерода образуются четыреххлористый титан по реакции:

TiO2 + 2C + 2Cl2 = TiCl4 + 2CO

В качестве побочных продуктов получаются также хлориды других метал-

лов ( FeCl2 , MnCl2 , CrCl3 CaCl2 и др.).

Благодаря различию температур кипения образующихся хлоридов, четыреххлористый титан отделяется и очищается от остальных хлоридов методом ректификации в специальных установках.

Восстановление четыреххлористого титана магнием. Восстановление осуществляется в специальных реакторах при температуре 950 – 1000 °С. В реактор загружают чушковый магний и после откачки воздуха и заполнения полоти реактора аргоном внутрь его подают парообразный четыреххлористый титан. Процесс восстановления титана идёт по реакции:

TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2

Металлический титан оседает на стенках, образуя губчатую массу, а хлористый магний в виде расплава выпускают через лётку реактора. В результате восстановления образуется реакционная масса, представляющая собой губку титана, пропитанную магнием и хлористым магнием, содержание которых достигает 35 – 40%.

Вакуумная сепарация реакционной массы. Сепарацию проводят с целью отделения титановой губки от магния и хлористого магния. Процесс отделения состоит в том, что реакционную массу нагревают до 900 – 950 °С в герметичном устройстве электронагревательной печи, в котором создаётся вакуум. При этом часть хлористого магния удаляется в жидком виде, а остальная часть хлористого магния и магний испаряются. Титановая губка после очистки направляется на плавку.

Плавка титановой губки в вакуумнодуговых печах. Плавка губки методом вакуумно-дугового переплава является основным способом переработки её в слитки. Вакуум печи предохраняет титан от окисления и способствует очистке его от примесей. Полученные слитки титана переплавляют вторично для удаления дефектов, используя как расходуемые электроды. После этого чистота титана составляет 99,6 – 99,7%. После вторичного переплава слитки используют для обработки давлением (ковка, штамповка, прокатка).

9 Производство материалов методами порошковой металлургии

9.1 Общая характеристика методов порошковой металлургии

Порошковой металлургией называют область техники, в которой занимаются изготовлением металлических изделий из спрессованных или сформованных порошков путём спекания без расплавления. Характерной особенностью порошковой металлургии как метода изготовления материалов является применение исходного сырья в виде порошков, которые затем прессуются в изделия заданных размеров и подвергаются термообработке (спеканию), проводимой при температурах ниже температуры плавления основного компонента шихты или с частичным расплавлением наименее тугоплавкой составляющей смеси.

Технологический процесс производства изделий методом порошковой металлургии состоит из следующих основных операций:

–получение и подготовка порошков исходных материалов, которые могут представлять собой чистые металлы или их сплавы, соединения металлов с неметаллами и различные другие химические соединения;

–прессование из подготовленной шихты изделий необходимой формы в специальных пресс-формах;

–термическая обработка или спекание спрессованных изделий, придающее им окончательные физико-механические свойства.

На практике иногда встречаются отклонения от этих типичных элементов технологии. Так, например, процессы прессования и спекания можно совмещать в одной операции или предварительно спечённый пористый брикет затем может быть пропитан расплавленным металлом. Могут быть и другие отклонения от указанной схемы, однако использование исходной порошкообразной шихты и спекание при температуре ниже точки плавления основного элемента остаются неизменными.

Изделия, изготавливаемые методами порошковой металлургии называются спечёнными материалами.

Впервые методы порошковой металлургии применили русские инженеры П.Г. Соболевский и В.В. Любарский, когда в 1826 г. по поручению Российского монетного двора разработали методику изготовления монет и изделий из платинового порошка путём прессования и спекания. Необходимость использования для этой цели методов порошковой металлургии была обусловлена невозможностью достижения в то время температуры плавления платины (1769 ºС).

Всвязи с развитием техники получения высоких температур использование методов порошковой металлургии для изготовления изделий на некоторое время прекратилось. Однако, на рубеже двадцатого века порошковая металлургия снова стала использоваться, как способ производства из тугоплавких металлов нитей накала для электрических ламп, и удельный вес методов порошковой металлургии при изготовлении изделий постоянно возрастает.

Внастоящее время трудно назвать отрасль промышленности, где бы не находили применения материалы, полученные методами порошковой металлургии. Например, в обрабатывающей промышленности это твердосплавные инструменты, в горнодобывающей промышленности – армирующие твердые сплавы и алмазно-металлические композиции, применяемые для оснащения бурового инструмента. В сварочной технике это порошки, применяемые для наплавки, специальной резки и изготовления обмазок. В практике машиностроения метод порошковой металлургии используют для изготовления деталей машин и механизмов с высокими износостойкими, антифрикционными и фрикционными свойствами. В современной электротехнике это контактные устройства, обеспечивающие высокую электро- и теплопроводность, хорошую тугоплавкость, высокую степень электроэрозионной устойчивости и прочности в условиях ударных нагрузок.

Основными достоинствами порошковой металлургии, обусловившими её развитие, являются:

–возможность получения материалов, которые трудно или невозможно получить другими способами. Например, некоторые тугоплавкие металлы (вольфрам, тантал), сплавы и композиции на основе тугоплавких соединений (твёрдые сплавы на основе карбидов вольфрама, титана и др.), композиции металлов, не смешивающихся в расплавленном виде, в особенности при значительной разнице в температурах плавления (вольфрам – медь), композиции из металлов и неметаллов (медь – графит, алюминий – оксид алюминия и др.), пористые материалы (подшипники, фильтры, теплообменники и др.);

–возможность получения некоторых материалов и изделий с более высокими технико-экономическими показателями за счет экономии металла и значительного снижения себестоимости продукции. Например, при изготовлении деталей литьём и обработкой резанием до 60 – 80% металла теряется в литниках или идёт в стружку;

–возможность получить материалы с меньшим содержанием примесей и с более точным соответствием заданному составу, чем у литых сплавов, за счет использования чистых исходных порошков.

При одинаковом составе и плотности у спеченных материалов в ряде случаев свойства выше, чем у плавленых в связи с особенностью их структуры. В частности, в спечённых материалах меньше сказывается неблагоприятное влияние предпочтительной ориентировки (текстуры), которая встречается у некоторых литых металлов вследствие специфических условий затвердевания расплава. Большим недостатком некоторых литых сплавов (быстрорежущие сплавы, некоторые жаропрочные стали) является резкая неоднородность локального состава, вызванная ликвацией при затвердевании. В спеченных материалах размеры и форму структурных элементов легче регулировать и можно