Смешивание металлических порошков

Одной из самых ответственных дополнительных операций, предшествующих прессованию, является смешивание. Свойства спеченных металлокерамических изделий во многом зависят от того, насколько равномерно в результате смешивания были распределены компоненты шихты. Помимо шихтовки разнородных материалов, в порошковой металлургии применяется смешивание разных фракций порошка одного сорта, смешивание партий порошка, изготовленных различными методами. Эти операции имеют своей целью улучшение прессуемости шихты, а также ее удешевление за счет некоторого разбавления дорогих сортов порошка более дешевыми. Так, в производстве изделий из железного порошка часто используются смеси порошков: вихревой (распыленный) — восстановленный, карбонильный (электролитический) — восстановленный.

Смешивание может осуществляться в основном двумя путями: механическим и химическим. Смешивание однородных компонентов, отличающихся гранулометрическим составом и методом получения, проводится механическим путем, т. е. в смесителях различной конструкции: барабанах, мельницах и т. п.

Механические методы смешивания одно- и разнородных компонентов позволяют совместить операции размола и смешивания, что в ряде случаев, например в производстве твердых сплавов, является определенным преимуществом этих методов.

Химический метод смешивания заключается в осаждении из растворов на поверхности частиц металла-добавки, в выпаривании водного раствора соли металла-добавки при одновременном интенсивном перемешивании с порошком основного металла и некоторых других приемах. Химический метод позволяет получить более равномерное распределение компонентов шихты, которое благоприятствует протеканию процесса гомогенизации при спекании. Каждая частица порошка основного металла в результате смешивания получается окруженной слоем металла-добавки. Недостатком химического метода смешивания является его неуниверсальность.

Равномерность механического смешивания определяют следующие факторы: размер и форма частиц смешиваемых компонентов; удельный вес компонентов; характер среды, в которой производится смешение; тип смесительного оборудования и параметры его работы (вместимость, наличие размольных тел, скорость вращения, длительность и др.). Теоретические представления о процессе смешивания применительно к порошковой металлургии почти не разработаны, условия смешивания на практике подбираются в каждом отдельном случае опытным путем. Мы ограничимся изложением общих положений о смешивании.

Для смешивания порошков часто применяются полые смесительные барабаны с эксцентричной осью вращения (рис. 66). Перемешивание шихты достигается путем встряхивания шихты при вращении барабана. Емкость барабанов обычно составляет 100—500 л. Барабан заполняется шихтой примерно на 1/3 объема. Скорость вращения барабана 40—50 об/мин.

Шихта также перемешивается в конусных смесителях (рис. 67). Такие смесители и смесители типа «пьяной бочки» (рис. 66) применяются при смешивании порошков в тех случаях, когда компоненты не должны наклепываться и размельчаться в результате смешивания или когда смешивание не должно приводить к обволакиванию одного компонента другим (например, при изготовлении металлографитовых изделий графит не должен обволакивать полностью металлические частицы, так как это ухудшает прочность изделий). В таких смесителях осуществляется смешивание разных фракций одного сорта порошка или порошков одного и того же металла, изготовленных разными методами. Длительность смешивания обычно не превышает нескольких часов (2—8).

Совмещение процессов размола и смешивания осуществляется в шаровых и вибрационных мельницах. В этих устройствах достигается более интенсивное смешивание, частицы компонентов одновременно дробятся. На характеристике процессов размола в шаровых и вибрационных мельницах и на описании этих агрегатов мы уже останавливались ранее. Все положения, отмеченные ранее (влияние шаровой нагрузки, скорости вращения, размеров барабана, размеров размольных тел, длительности процесса), применимы и к смешиванию шихты в шаровых и вибрационных мельницах. Смешивание в размольных устройствах требует гораздо меньше времени, чем обычные операции размола.

Совмещение процессов размола и смешивания применяется в производстве твердых сплавов, конструктивных и других материалов. При этом мягкие и пластичные металлы (медь, кобальт, никель и др.) обволакивают частицы более твердых компонентов, чем достигается равномерное распределение шихты.

Во многих случаях мокрое смешивание, которое проводится в спирте, бензине, камфоре, воде (последнее — если шихта не подвержена окислению), приводит к более равномерному распределению компонентов. Большая однородность шихты при мокром смешивании обусловлена тем, что облегчается скольжение частиц друг относительно друга и мельчайшие частицы смеси не распыляются по свободному объему барабана. Однако влияние жидкости может проявиться и в частичном склеивании и грануляции тонких фракций, что препятствует равномерному распределению компонентов. Поэтому в большинстве случаев мокрое смешивание проводится с размольными телами. Необходимость мокрого смешивания на практике устанавливается опытным путем в каждом конкретном случае.

Равномерность распределения при смешивании в значительной степени зависит от соотношения удельных весов и размеров частиц отдельных компонентов: чем ближе эти величины, тем больше вероятности в получении качественной однородной шихты. Во избежание сегрегации порошковых частиц по удельному весу и размерам целесообразно использовать мокрое смешивание и совмещение смешивания с размолом. В увлажненной шихте расслоение частиц по удельному весу и размерам почти не имеет места.

В практике порошковой металлургии часто приходится изготавливать смеси, состоящие не только из металлических порошков, но и с неметаллическими компонентами (например, кремний, графит, окислы). В производстве антифрикционных (железо—графит, медь—графит) и магнитных (железо—кремний) сплавов во избежание наклепа частиц смешивание производится без размольных тел, шихту же предварительно целесообразно увлажнить бензином. Смешивание шихты фрикционных материалов (медь—кремнезем—графит—олово—свинец—железо) осуществляется в шаровых мельницах, шаровая загрузка составляет 200% от веса шихты, на килограмм шихты вводится 50 мл бензина, скорость вращения барабана 50—60 об/мин. Длительность процесса смешивания указанных материалов составляет 2—6 час.

В производстве карбидов, боридов, силицидов, а также металлических материалов с окисными добавками (типа медь — окись алюминия) также используется смешивание в шаровых мельницах.

Компоненты магнитных материалов типа ферритов, к которым относятся вещества с общей химической формулой MeO*Fе2О4, смешиваются в шаровых либо в вибрационных мельницах; в качестве жидкой среды используется вода. Длительность смешивания достигает 20—30 час.

В настоящее время методы химического смешивания имеют меньшее распространение, чем механического. Однако показанное во многих работах несомненное преимущество химического смешивания в отношении равномерности распределения компонентов дает основание предполагать расширение промышленного использования этих методов.

Выпаривание водного раствора азотнокислого никеля (кобальта) при одновременном перемешивании с порошками вольфрама или молибдена приводит, по данным Вацека, к получению порошков сплава W(Mo)+Ni(Co), которые обладают хорошей спекаемостью. В результате испарения воды, которое осуществляется на водяной или песочной бане, окислы легирующего металла равномерно располагаются на каждой частице основного металла. После этого следует восстановительный отжиг.

По данным работ, при изготовлении жаропрочных композиций, упрочнение основного металла в которых достигался введением дисперсных включений тугоплавких окислов, ведение окислов из растворов солей дает лучшие результаты, чем механическое смешивание.

При исследовании влияния малых добавок (до 5—10%) на спекание железного порошка мы сравнивали эффективность механического и химического смешивания. Если смеси Fe+ Ni, приготовленные химическим смешиванием, обнаруживали хорошую спекаемость за счет равномерного распределения никеля на поверхности частиц, то при механическом смешивании активации уплотнения брикетов при спекании, по сравнению с чистым железом, почти не наблюдалось.

Химические методы смешивания могут успешно использоваться при приготовлении шихты для совместного восстановления окислов в производстве магнитных (железо—никель), контактных и тугоплавких материалов (вольфрам—серебро, вольфрам-никель). Однако при необходимости дополнительного измельчения шихты прибегают к смешиванию в шаровой мельнице или к комбинации методов химического и механического смешивания.

О получении легированных порошков путем восстановления из растворов солей и электроосаждения, что также является вариантом химических методов смешивания, уже говорилось ранее.

После мокрого смешивания и методов химического смешивания необходимо в большинстве случаев проводить сушку шихты. Температура сушки не превышает обычно 100—110°. Если смесь не подвержена окислению (например, в производстве ферритов), то сушка может проводиться в воздушной атмосфере. Во многих случаях применяют вакуумные сушильные шкафы. Сушка смеси под вакуумом протекает значительно быстрее, органические жидкости, которые добавляются в шихту перед смешиванием (например, спирт), могут с помощью специальных приспособлений улавливаться. Смеси, составленные из компонентов с резко различными удельными весами, не рекомендуется сушить досуха, так как при хранении шихты и при ее развеске может наблюдаться сегрегация составляющих по удельному весу.

Следует остановиться на методах оценки однородности порошковых смесей.

Результаты смешивания контролируют либо по технологическим свойствам шихты, т. е. исследованием ее ситового состава, насыпного веса, текучести, прессуемости, спекаемости, определением физико-механических свойств спеченных тел; либо химическим и микрохимическим анализом проб. Первый способ при всем комплексе характеристик дает наиболее полное представление о качестве смесей, но он громоздок и требует много времени. Химический анализ проб смеси может дать грубую оценку смешивания, поскольку выполнение анализа часто требует отбора проб весом в несколько граммов. Микрохимический анализ в значительной мере устраняет этот недостаток, но он не всегда доступен. На практике обычно контролируют частично или полностью технологические характеристики смеси и проводят химический анализ проб. Достаточно надежные, удобные и быстрые методы оценки качества смешения порошковых материалов пока не развиты.

Интересный метод изучения кинетики механического смешивания путем введения в смесь небольших количеств радиоактивных изотопов в виде активированных порошков использован в работе В.П. Елютина и А.К. Натансона. В результате исследования смешивания порошка восстановленного железа с порошком железа, частицы которого были активированы радиоактивным кобальтом, было установлено, что количественным критерием однородности смеси может быть среднее квадратичное отклонение активности пробы (или химического состава) от среднего арифметического значения, т. е. величина А (в %),

где аi — единичное измерение; a — среднее арифметическое всех измерений; n — число измерений (проб).

Значения же активностей отдельных проб или величины их отклонений от среднего значения не давали даже качественной характеристики однородности смеси.

В работе отбиралось для каждого времени смешивания не менее 12 проб по 0,2 г, у которых просчитывалось у-излучение. На рис. 68 показано изменение среднего квадратичного отклонения активности проб в зависимости от времени смешивания. Как видно из этих данных, относительная равномерность Распределения радиоактивных частиц в шихте достигается через 2—3 час., дальнейшее смешивание не приводит к существенному улучшению однородности. Смешивание в мельнице оказалось более эффективным, чем в смесителе. Изучение процесса смешивания с применением радиоактивных изотопов может служить хорошим подспорьем при разработке эффективных производительных методов смешивания.

Перед прессованием в порошковую смесь часто вводятся вещества, которые удаляются (улетучиваются) при спекании. При введении этих веществ преследуют цель либо облегчения процесса прессования (смазывающие и склеивающие добавки), либо создания в спеченных изделиях определенной пористости. К первому типу веществ относятся растворы в органических жидкостях парафина, воска, синтетического каучука, камфоры и др. Распространенным видом смазки являются также поверхностно-активные вещества — стеариновая кислота, стеарат цинка. Эти добавки, способствующие снижению давления прессования, лучшему распределению плотности в спрессованном брикете, смешиваются с шихтой в смесителях и барабанах.

В производстве фильтровых материалов важно обеспечить сохранение высокой пористости при одновременном повышении прочности изделия. Это достигается добавкой так называемых наполнителей, которые, улетучиваясь во время спекания в результате разложения, препятствуют образованию закрытой пористости. К таким наполнителям относятся карбонаты аммония, натрия, которые в виде порошка смешиваются с основным порошком в смесителях различных типов. Часто также добавляют соли в виде водного раствора, которым пропитывается металлический порошок. Последний прием используется для наполнителей, лишь частично удаляющихся при спекании (хлориды никеля, меди, железа). Добавки этих солей не только предотвращают закрытие пор, но и способствуют в результате интенсификации диффузионных процессов повышению прочности спеченных изделий.