Порошковая металлургия материалов специального назначения
Под ред. Барка Д., Вейса В.
Металлургия, 1977 г.
Из многих промышленных способов, используемых для производства металлических порошков, способраспыления водой высокого давления является экономически одним из самых важных. Этот способ пригоден для получения порошков целого ряда металлов и сплавов как в малом, так и в большом количестве. По этой и по другим причинам он считается наиболее универсальным из всех промышленных способов производства порошков.
Этот способ оказал большое экономическое и техническое влияние на производство низко- и высоколегированных сталей, в том числе включая и нержавеющие, но, вероятно, он неприемлем для металлов и сплавов, чувствительных к окислению.
Процесс распыления водой высокого давления позволяет легко осуществлять контрольхарактеристик порошков. В настоящем сообщении дано описание процесса, приведены характеристики порошков инаиболее важные параметры режима получения порошков, а также обзор различных конструкций установок для распыления.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАСПЫЛЕНИЯметаллов ВОДОЙ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
Использование воды высокого давления для распыленияметаллов выгодно вследствие ее вязкости, которая значительно выше, чем у газов, и вследствие способности очень быстро охлаждать распыляемый материал. К тому же она недорога. Такое сочетание свойств делает ее предпочтительной средой для распыленияметаллов и сплавов с высокой точкойплавления в порошки с неправильной формой частиц, пригодных для холодного прессования. При этом можно организовать производство большого масштаба с низкой стоимостью продукции.
В воду могут быть добавлены ингибиторы коррозии, но их окисляющая способность делает воду непригодной Для сильно реакционных металлов и сплавов, суперсплавов и ряда инструментальных сталей. Тем не менее это основной способ производства железных и низколегированных стальных порошков и большинства сортов нержавеющих сталей, если только сферическая форма порошков не является желательной.
Относительная простота распыления водой делает способвравной мере пригодным как для производства с производительностью в одну или несколько тысяч тонн в год так и для крупномасштабного производства с производительностью в сотни тысяч тонн в год или более. В случае железных и стальных порошков преимущество распыления водой еще более очевидно в сравнении с традиционными процессами получения порошков, так как сама операция получения порошка — распыление — делается относительно недорогим дополнением к традиционным способамплавления и рафинирования стали.
Именно благодаря этому распыление водой получило огромное экономическое и техническое значение в последнее время. производство распыленного стального порошка быстро выросло и в настоящее время превышает общее производство порошков другими способами (рис. 9).
Изготовление порошков распылением и особенно распылением водой- высокого давления имеет следующие преимущества.
1. Свобода выбора сплава. Может быть получен любой сплав, включая сплавы и системы, предназначенные специально и исключительно для порошковой металлургии, если только допустимо окисление, либо его можно устранить при последующем восстановительном отжиге.
2. Однородный состав всех частиц. Это устраняем макросегрегацию и обеспечивает более равномерное распределение компонентов, способствует однородности размеров зерен и, следовательно, обрабатываемости и воспроизводимости свойств.
3. Контроль формы, размера и структуры частиц. распыление водой обеспечивает получение частиц приемлемой формы, пригодной для изготовления изделийметодом порошковой металлургии —однако сфероидальная форма частиц обычно не подходит для этой цели.
4. Высокая чистота. порошки содержат меньше неметаллических включений, чем порошки, полученные измельчением, отсюда лучшая прессуемость порошков, более высокие свойства.
5. Меньше капитальные затраты. Процессраспыления водой может быть экономически выгодно использован для производства с различной производительностью более легко, чем большинство других методов.
Кроме того, при распылении легкоплавких металлов и сплавов газом могут быть использованы многообразные распыляющие сопла насадки форсунок; в случае распыления водой тугоплавких сплавов охлаждающий эффект воды мешает работе любых сопел за исключением так называемых внешних, которые предотвращают, во-первых, замораживание материала и, во-вторых, сильную эрозию сопла.
Имеются три главные характеристики металлических порошков:
1) размер частиц (средний размер частиц,распределение по фракциям, выход годного продукта и т.д.); 2) форма частиц и связанные tней свойства (кажущаяся плотность, текучесть, плотность холоднопрессованной заготовки, удельная поверхность и т.д.) % 3) плотность и структура частиц.
1. Размер частиц. При всем своем промышленном значении распыление тугоплавких металлов исплавов с помощью внешних сопел представляет собой довольно грубый процесс, если исходить из коэффициента использования энергии. Атомныесвязи удерживают жидкий металл, не давая ему распасться. Во время распыления некоторые из этих связен нарушаются. Количество подводимой энергии при одинаковом размере частиц пропорционально поверхностному натяжению и обратно пропорционально диаметру капель.
В действительности, большая часть подводимой к струе энергии либо теряется, либо расходуется на ускорение жидкости и только незначительная ее часть превращается в энергию образования новых поверхностей.
Проблема, следовательно, заключается не столько » подводе энергии, достаточной .для совершения работы,сколько в приложении растягивающих и сдвигающих сил к жидкости, достаточных для образования капель малых размеров. Другая проблема состоит в том, чтобы маленькие образовавшиеся капли не сталкивались с другими каплями до их затвердевания во избежание слияния их в большие капли.
Образованию тонкодисперсных частиц благоприятствуют следующие факторы: низкая вязкость металла; малое поверхностное натяжение металла; перегрев металла; малый диаметр сопла, т.е. низкая скорость истечения металла; высокое давление распыления; большой объем распыляющего агента; высокие скорость и вязкость распыляющего агента; минимальные длина потокаметалла(F)и длина струи распыляющего агента (Е);оптимальный угол сопла (а).
В соответствии с перечисленным выше распыление жидкостью (например, водой) дает более высокий общий выход порошка (например, размером —100 меш), хотя это необязательно при получении очень тонких фракций. Обычно применяют давление 35—210 кгс/см2 для воды и 7—28 кгс/см2 для газа. При распылениибронзы в порошок Тамура и Такеда [1] достигли сравнимого распределения частиц по выходуфракции —100 меш, используя для распыленияазот под давлением 9 кгс/см2 и воду под давлением 60 кгс/см2 (табл. 3). распыление проводилось с помощью металлического сопла диамет-1 ром 3 мм; температураметалла 1050° С.
Аналогичная работа этих же авторов [2] показывает, что при скоростидвижения воды 103 м/с изменение объема воды в шесть раз (от 56 до 310 л/мин) не приводит к более тонкому распределению частиц по размерам, в то время как при более низкой скоростидвижения воды (55 м/с) влияние изменения объема воды на распределение частиц по размерам заметно.
Короткий путь потокаметалла благоприятствует более устойчивой работесистемы и поэтому обеспечивает более эффективное использование энергии распыляющегоагента. Короткая длина струи распыляющего агента способствует более тонкому распределению частиц по размерам.