Ультразвук в порошковой металлургии

Агранат Б.А., Гудович А.П., Нежевенко Л.Б.

Металлургия, 1986 г.

ГлаваIII. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОЧИСТКА ПОРОШКОВ И ИЗДЕЛИЙ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ МЕТОДАМИ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

Одним из наиболее высокопроизводительных методов получения порошков металлов и сплавов является распыление расплавов, осуществляемое газом или водой. Однако при этом порошок окисляется и загрязняется шлаковыми включениями. В наибольшей степени подвержены окислению порошки, в состав которых входят такие элементы, как хром, титан, ванадий, алюминий, отличающиеся высоким сродством к кислороду.

Наличие оксидов и шлаковых включений существенно ухудшает технологические свойства получаемых порошков и, как следствие, физико-механические характеристики изготавливаемых из них изделий.

В настоящее время для получения распыленных порошков с высокими тех? дологическими свойствами вводят два технических приема: создают условия, исключающие контакт материала с кислородом в процессе распыления; очищают порошки от кислорода и других посторонних примесей (рафинирование).

В первом случае применяют герметичное оборудование, процесс проводят в среде инертных газов высокой степени чистоты. Недостатки этого способа состоят в том, что для его осуществления необходимо дорогостоящее оборудование, и он не всегда обеспечивает требуемое качество [72].

Более производительный и универсальный способ диспергирования расплавов с использованием воды (распыление водой, газом с охлаждением полученных частиц в воде) предусматривает последующий восстановительный отжиг порошка в водороде при 1000—1100°С. Однако восстановительный отжиг не всегда позволяет избавиться от загрязнения кислородом. Это, в частности, относится к оксидам, характеризуемым высокой термодинамической устойчивостью (например, оксид хрома).

Наряду с водородом используют и другие активные восстановители. Так, в работе [73] отмечена высокая эффективность восстановления распыленных порошков нержавеющей стали гидридом кальция. Однако это низкопроизводительный, трудоемкий и дорогой способ. Для удаления оксидных пленок с металлических порошков применяют также различные методы механической очистки (для крупных фракций) и обработку в химически активных растворах [74].

Таким образом, в технологии изготовления металлических порошков распылением расплавов одной из актуальных задач является разработка дешевого и производительного метода их рафинирования.

При изготовлении порошков электролитическим методом происходит загрязнение получаемых порошков довольно значительным количеством хлора. Так, при производстве порошков титана, наиболее широко применяемого в различных областях техники, содержание хлора достигает 0,2 % [75].

Как показывают практика широкого использования ультразвуковых колебаний в технологических процессах очистки изделий от различных поверхностных загрязнений, а также исследования в области химического травления с наложением высокочастотных колебаний, ультразвуковой метод является весьма эффективным технологическим приемом для очистки порошков от различных примесей.

МЕХАНИЗМ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОЧИСТКИ ПОРОШКОВ

Ультразвуковую очистку порошков успешно применяют для удаления с поверхности частиц пыли,_лболее мелких фракций порошка, оксидных пленок, продуктов коррозии, шлама и т.п. Поверхностные загрязнения возникают при изготовлении порошков, например, плазменным распылением и другими методами.

Виды загрязнений поверхностных слоев частиц порошка можно классифицировать по следующим признакам:

1) кавитационной стойкости, т.е. способности противостоять микроударным нагрузкам;

2) прочности связи загрязнения с очищаемой поверхностью;

3) степени химического взаимодействия загрязнения с моющей жидкостью, способности последней растворять или эмульгировать поверхностные загрязнения.

Любое загрязнение на поверхности порошковых частиц можно охарактеризовать совокупностью этих признаков в различных сочетаниях. Так, оксидные пленки прочно связаны с очищаемой поверхностью, отличаются кавитационной стойкостью, взаимодействуют лишь с агрессивными жидкостями. Очистку частиц порошков от оксидных пленок в ультразвуковом поле с использованием агрессивных жидких сред осуществляют в процессе ультразвукового травления. Металлическая пыль, связанная с частицами порошка силами аутогезии, а также шлам после травления слабо связаны с очищаемой поверхностью, кавитационно нестойки.

В зависимости от прочности связи с поверхностью преобладающую роль в процессе разрушения загрязнения играют те или иные явления, наблюдаемые в ультразвуковом поле.

При отсутствии химического взаимодействия жидкой среды с загрязнениями удаление последних происходит в результате кавитационного воздействия и соударения частиц. В этом случае механизм разрушения поверхностных загрязнений идентичен механизму ультразвукового диспергирования порошков (см. гл. II). Следует отметить, что пульсирующие (не захлопывающиеся) кавитационные пузырьки оказывают определенное влияние на процесс очистки изделий⁴, но в случае разрушения пленок с высокой адгезией к поверхности, например оксидных пленок на частицах порошка, практически на них не воздействуют.

Рассмотрим механизм ультразвуковой очистки металлических порошков в жидких средах, химически взаимодействующих с оксидными пленками на частицах.

Предварительно остановимся на процессах, протекающих при химическом травлении оксидных пленок на металлических поверхностях.

Известны два возможных механизма удаления оксидных пленок при химическом травлении: в первом случае сама пленка не растворяется, а вследствие взаимодействия металла с раствором под пленкой происходит ее отслаивание; во втором оксидная пленка взаимодействует с травильным раствором и в него переходят продукты реакции. Под действием звукокапиллярного эффекта травильный раствор через образующиеся трещины проникает к поверхности металла, что интенсифицирует процесс отделения и разрушения оксидной пленки.

В ультразвуковом поле происходит также механическое разрушение поверхностных пленок благодаря микроударным кавитационным нагрузкам, возникающим при захлопывании кавитационных пузырьков, соударению частиц порошка, а также абразивной обработке окисленной поверхности частицами субмикронных размеров.

В жидкой среде ультразвуковые колебания образуют вихревые потоки различной масштабности. В сочетании с действием кавитации и звукового давления изменяется характер диффузионного граничного слоя, непосредственно прилегающего к поверхности частиц порошка. Толщина его уменьшается, вследствие чего интенсифицируются процессы массообмена. Вопросы интенсификации процесса выщелачивания, имеющего важное значение в гидрометаллургии при комплексной переработке руд цветных металлов, подробно рассмотрены в работах [1,16].

Вследствие протекания в ультразвуковом поле этих процессов существенно ускоряется удаление оксидной пленки, шлама и прочих механических загрязнений по сравнению с химическим травлением, механическим измельчением и т.п.