Способ обработки металлических порошков

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к спсообам получения высокочистых порошковых материалов . Цель изобретения - повышение эффективности процесса и улучшение технологических свойств порошка. После очистки в аргоне и вакуумирования до мм рт.ст. при размещении порошка на наклонной поверхности осуществляют его перемещение в электрическом поле, нагрев проводят с одновременным вибрационным воздействием на порошок, а пересыпание осуществляют в барабанный смеситель с последующим гранулированием в нем при температуре 0,4-0,85 температуры плавления материала порошка, скорости вращения смесителя 2-30 об/мин и вибрации с частотой 1-20 Гц и амплитудой 0,25-0,5 мм. Причем нагрев при размещении порошка по наклонной спиральной поверхности осуществляют до 300-450°С. Эффективность процесса повышается за счет последовательного удаления примесей с различными значениями энергии адсорбции: физически адсорбированные влага и атмосферный воздух - при очистке и сушке в аргоне; адсорбированные на поверхности частиц газы в свободном состоянии (N2, C2, Н2, 02, Ar, C02 и др.) с малыми энергиями адсорбции - при пропускании через электрическое поле в вакууме; окисные пленки и др. соединения газов с металлами с поверхности частиц при нагреве до 300-450°С и вибрации тонкого слоя порошка в вакууме рт.ст.: хемосорбированные газы и некоторые металлические примеси при пересыпании в барабанном смесителе и нагреве до 0,4-0,85 Тпл. Технологические свойства порошков повышаются за счет повышения чистоты материала и уменьшения удельной поверхности порошков при гранулировании . 1 табл. 4 О О СО

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51и В 22 F 1/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4722333/02 (22) 24.07.89 .(46) 15.06.92. Бюл. ¹ 22 . (71) Белорусское республиканское научнопроизводственное объединение порошковой металлургии (72) А.А.Волочков, А,P.Ëó÷åíîê и А.А.Спесивцев (53) 621.762.32(088.8) . (56) Черепнин Н.В. Сорбционные явления в вакуумной технике. — M.: Советское радио, 1979, с.349-352.

Stephan Н., Pletsch W. Ettl Н., Alchort Н, Degassing of Metal Powder and the Tilling of

Degassed Powder into Capsules for the

Manufacturing of the 1npots and OisIs. — Р/m

82. Fur lnt. Conf. Florence. June, 20-25, 1982, Mllano, S.À. р, 149 — 191. (54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ (57) Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к спсообам получения высокочистых порошковых материалов. Цель изобретения — повышение эффективности процесса и улучшение технологических свойств порошка. После очистки в аргоне и вакуумирования до 10410 6 мм рт.ст. прй размещении порошка на наклонной поверхности осуществляют его перемещение в электрическом поле, нагрев проводят с одновременным вибрационным

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения высокочистых порошковых материалов.

Известен способ дегазации порошковых материалов в среде аргона при атмосферном или бовышенном давлении и при

ЫХ 1740103 А1 воздействием на порошок, а пересыпание осуществляют в барабанный смеситель с последующим гранулированием в нем при температуре 0,4-0,85 температуры плавления материала порошка, скорости вращения смесителя 2 — 30 об/мин и вибрации с частотой 1 — 20 Гц и амплитудой 0,25 — 0,5 мм.

Причем нагрев при размещении порошка по наклонной спиральной поверхности осуществляют до 300 — 450 С. Эффективность процесса повышается за счет последовательного удаления примесей с различными значениями энергии адсорбции: физически адсорбированные влага и атмосферный воздух — при очистке и сушке в аргоне; адсорбированные на поверхности частиц газы в свободном состоянии (N2, С2.

Н2, 02, Аг, С02 и др.) с малыми энергиями адсорбции — при пропускании через электрическое поле в вакууме; окисные пленки и др. соединения газов с металлами с поверхности частиц при нагреве до 300-450 С и вибрации тонкого слоя порошка в вакууме 10 4- 10 6 мм рт,ст.: хемосорбированные газы и некоторые металлические примеси при пересыпании в барабанном смесителе и нагреве до 0,4 — 0,85 Тял. Технологические свойства порошков повышаются за счет повышения чистоты материала и уменьшения удельной поверхности порошков при гранулировании. 1 табл. температуре до 800 С. При этом очищенный и осушенный аргон пропускается через покоящийся порошОК. Металлы, отожженные в аргоне, выделяют при последующей работе в 1,5-4 раза меньше углеродсодержащих газов (СО, CO2) по сравнению с отожженными в вакууме. Однако очистка аргона требует

1740103 дополнительных трудовых и материальных затрат, а сам аргон, частично вытесняя адсорбированные на поверхности газы, осаждается на поверхности металлов, что при последующем прессовании и спекании по- 5 рошков приводит к порообразованию. Кроме того, большая часть хемосорбированных газов остается в материале.

Известен способ дегазации измельченного материала, в котором загрязненный 10 газом измельченный материал пропускают через вакуумную камеру, где воздействуют на него электрическим полем, При этом заряженные газообразные примеси удаляются с поверхности частиц порошка. Однако 15 этот способ является эффективным для удаления физически адсорбированных примесей, обладающих малой энергией адсорбции, например аргона. Молекулы

Н О, оксиды таким способом не удаляются. 20

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ дегазации металлических порошков, заключающийся в том, что порошок предварительно распределяют 25 малыми порциями для увеличения его свободной поверхности и производят медленное нагревание до 150 С в среде аргона под давлением 10 мбар, затем порошок вакуумируютдо 10 — 10 мм рт,ст. и размещают 30 на спиральной поверхности слоем толщиной до 3 мм, нагревают до 300 С и пересыпают свободным падением порошка для удаления примесей с полной поверхности частиц, Контроль качества дегазации осу- 35 ществляется по показаниям вакуумметра.

Дегазация считается завершенной, если при подьеме температуры от 300 до 350 С давление в камере повышается не более чем в 2 раза. 40

Однако целый ряд хемосорбированных газовых примесей, а также некоторые летучие металлические примеси (например, щелочные и щелочно-земельные металлы) не могут быть удалены этим способом. По ус- 45 ловиям десорбции хемосорбированных гаэов температура десорбции должна составлять Тд=20Н, где Н вЂ” энергия связи адсорбированных молекул (ккал/моль), Так, например, для полного удаления с поверхности вольфрама хемосорбированного кислорода необходима температура 2827 С, для азота — 1627 С, для Нр — 627 С,для С Н4 — 1767 С, для йНз — 1047 С, для СО—

1727 С, для СО2 — 2267 С.

Таким образом, большая часть растворенных газовых примесей остается в материале, Мелкодисперсные порошки после дегазации необходимо изолировать от воздействия атмосферного воздуха, комйоненты которого мгновенно адсорбируются на очищенной поверхности порошка. Для защиты материала от гаэонасыщения необходимо разрабатывать специальные системы для заполнения капсул для прессования непосредственно в камере для дегазации, что усложняет процесс. Существенным технологическим недостатком данного способа является также трудность дегазации порошковых композиций с сохранением равномерного распределения компонентов в смеси, Цель изобретения — повышение эффективности процесса и улучшение технологических свойств порошка.

Поставленная цель достигается тем, что перед размещением порошка на наклонной поверхности его пропускают через электрическое поле, размещение порошка на наклонной поверхности осуществляют при наложении вибрации на него, нагрев проводят до 300-450 С, а пересыпание осуществляют в барабанный смеситель с последующим гранулированием в нем при температуре 0,4-0,5 температуры плавления материала порошка, скорости вращения смесителя 2 — 30,об/мин, вибрации с частотой 1 — 20 Гц и амплитудой 0,25 — 0,5 мм.

При пропускании через электрическое поле в вакууме адсорбированных на поверхности частиц молекулы аргона и оставшихся газовых примесей с малой энергией адсорбции в слоях, не прилегающих к поверхности металла, заряжаются, приобретая дополнительную энергию. В результате энергетическое равновесие адсорбции — десорбции таких молекул смещается в сторону десорбции, что приводит к их удалению с поверхности частиц.

Нагрев до 300-450 С обеспечивает смещение энергетического равновесия в сторону десорбции молекул газов, прилегающих, к поверхности металла (монослоя) с большой энергией адсорбции. Вибрация наклонной спиральной поверхности обеспечивает транспортировку тонкого слоя порошка и. освобождение полной поверхности частиц для воздействия десорбирующих факторов (вакуум, температура) и создает условия для беспрепятственного удаления десорбирующихся молекул.

Пересыпание порошка в барабанном смесителе при нагреве до 0,4 — 0,85 Тлд приводит к рафинированию материала, т,е. удалению хемосорбированных газовых и некоторых металлических примесей. Нагретые частицы порошка, очищенные от газовых пленок, легко консолидируются одна с другой, а вращение барабана со скоростью

2 — 30 об/мин обеспечивает образование

1740 f03 очистки порошка от газовой фазы. Для удаления оставшихся молекул газа порошки пропускают через электрическое поле. При этом адсорбированные молекулы газа заряжаются, приобретая дополнительную энергию, которая должна превышать их энергию адсорбции. Затем порошок распределяют тонким слоем (3 мм) по наклонной спиральной поверхности с помощью вибрации, При этом освобождается поверхность большой части порошка и облегчается выход десорбирующихся молекул и газов за пределы порошкового слоя. Для обеспечения десор50

55 гранул. Для предотвращения припекания материала порошка к поверхности барабанного смесителя и образования крупных конгломератов его подвергают вибрации с 5 частотой 1 — 20 Гц и амплитудой 0,25-0,5 мм, Обработка порошка по предлагаемому способу позволяет последовательно удалять различные по энергетическим уровням 10 примеси, что обеспечивает наиболее полную дегазацию.

Применение последней стадии обработки (пересыпание и гранулирование при

0,4 — 0,85 Тпп) к предварительно не освобож- 15 . денному от физически адсорбированных примесей порошку может привести к химическому взаимодействию этих примесей как между собой, так и с материалом порошка, т.е. к еще большему загрязнению. Остаточ- 20 ное давление в камере при этом резко повышается, что затрудняет процесс де газа ции.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. 25

Порошок помещают в герметичную емкость, сообщающуюся с вакуумной камерой, где он подвергается нагреву до 150 С с продувкой аргоном для удаления содержащихся в межчастичном пространстве паров 30 воды и атмосферных газов. а также части адсорбированных газов с малой энергией адсорбции.

Затем емкость с порошком и камеру вакуумируют до 10 — 10 мм рт.ст. При этом 35 порошковый материал освбождается от газовой фазы в межчастичном пространстве

Достижение высокого вакуума (10 — 10 мм рт.ст.) непосредственно в межчастичных порах покоящегося порошка невозможно, 40

Минимально достижимое остаточное давление в массе порошка даже при 10 — 10- мм рт.ст. над его поверхностью не может быть выше 10 — 10 мм рт.ст., что объясняется затрудненным выходом молекул газа через открытые каналы, так как длина их свободного пробега оказывается несоизмеримой с размерами пор в порошковой среде.

Следовательно, не может быть и полной бции молекул с большой энергией адсорбции, прилегающих непосредственно к поверхности материала (НгО, СО, СОр и др,), слой порошка нагревают до 300-450ОС, Нагревание до температур ниже 300"С не обеспечивает смещение равновесия адсорбции-десорбции в сторону десорбции. Нагрев выше 450 С может привести к припеканию частиц порошка к поверхности спирального конвейера и образованию конгломератов частиц, что затрудняет процесс дальнейшей дегазации.

Скорость перемещения порошкового слоя и его толщина регулируются частотой вибрации и величиной подаваемых порций порошка. После прохождения нагретого порошкового слоя по всей длине наклонной спиральной поверхности (10 — 15 м) его помещают во вращающийся барабанный смеситель со спиральной внутренней поверхностью, где его нагревают до 0,4 — 0,8

Тпл.

Нагревание до температур ниже 0,4 Тпп не позволяет полностью удалить хемосорбированные примеси и газы, что ухудшает условия для гранулирования. Для наилучшего ка ества дегазации и рафинирования материалов целесообразно использовать максимально возможные температуры - нагрева. Повышение температуры выше 0,8

Тпл приводит к более полной дегазации, но затрудняет процесс гранулирования, так как создает условия для налипания частиц к поверхности смесителя и к неконтролируемому образованию крупных конгломератов из частиц порошкового материала.

Скорость вращения барабана меньше 2 об/мин также приводит к припеканию частиц порошка к поверхности смесителя и образованию крупных конгломератов частиц.

Повышение скорости выше 30 об/мин не позволяет удалить значительную долю хемосорбированных газов и примесей из-зэ уменьшения времени теплового воздействия на частицы порошка, а также ухудшает условия для образования гранул. Размер гранул и степень дегазации и рафинирования порошка можно регулировать, изменяя температуру нагрева и скорость вращения смесителя в указанных пределах. При необходимости операцию гранулирования можно проводить 2 и более .раз. Нагрев, до температур 1000-1800 С при обработке порошков тугоплавких металлов и освбождение полной поверхности частиц порошка при пересыпании в барабанном смесителе создают условия, достаточные для удаления значительной части хемосорбированных газов и некоторых металлических примесей, таких, например, как щелочные и щелочно1740103 земельные металлы. Вакуум в камере позволяет одновременно подвеогать обработке по описанному способу порошковые композиции. состоящие из частиц материалов с различными удельными весами, с сохранением гомогенности состава.

После прохождения полного цикла обработки образованные гранулы при необходимости ссыпают в герметичные ампулы без контакта с воздушной средой для последующего, например, изостатического горячего либо динамического прессования, где отрицательное влияние газовых примесей выражено наиболее ярко.

Пример. В качестве материала для испытаний принимали порошковую композицию вольфрама и титана. 1 кг порошковой смеси вольфрама и титана с содержанием титана 15 (по весу) подвергали нагреву до

150 С с одновременной продувкой очищенным и осушенным аргоном под давлением

1,5 атм в течение 1 ч. Затем емкость с поpoLUKoM вакуумировали до остаточного давления 10 — 10 6 мм рт.ст. и порошок малыми порциями подавали на наклонную спиральную поверхность общей длиной 30 м, пропуская через электрическое поле напряженностью 2 -10 кВ,м. При этом адз сорбированные на поверхности частиц атомы аргона и газов с малой энергией адсорбции заряжалась, получая дополнительную собственную энергию, и удалялись из порошка, распределенного на наклонной спиральной поверхности слоем порядка 3 мм. Движение порошка по наклонной спиральной поверхности обеспечивалось посредством вибрации с частотой 5 Гц, Распределенный по спиральной поверхности порошок нагревали до 300 — 450 С с помощью инфракрасного нагревателя, Затем порошок ссыпали во вращающийся со скоростью 2 об/мин барабан диаметром 200 мм и длиной 300 мм с внутренней спиральной поверхностью с общей длиной спирали 30 м, где его нагревали до 1200 С с помощью инфракрасного нагревателя. При этом барабан подвергали вибрации с частотой 20 Гц и амплитудой 0,25 мм.

Все указанные выше режимы обработки выбраны на основании экспериментальных данных (см, таблицу).

Из таблицы видно, что скорость вращения менее 5 об/мин приводит к образованию крупных спеков, увеличение скорости вращения более 30 об/мин не обеспечивает полную очистку порошка от хемосорбированных примесей ввиду малой длительности процесса. Температура нагрева ниже

500 С (0,4,Т ) не обеспечивает условий образования гранул. Подъем температуры выше 1500 С (0,85 Тпл), как правило, приводит к испарению легкоплавкой составляющей

5 смеси(Т!). При частоте вибрации барабана менее 2 Гц и амплитуде менее 0,25 мм происходит налипание порошка на стенки барабана. При частоте вибрации более 20 Гц происходит разделение частиц порошка на

10 фракции и по удельному весу, что ухудшает гомогенность получаемых гранул. Амплитуда вибрации более 0,5 мм ухудшает условия гранулирования и приводит к сепарации частиц по грансоставу.

15 Применение данного способа для дегазации металлических и керамических порошков и их композиций позволяет значительно повысить эффективность процесса (степень дегазации порошка) по срав20 нению с прототипом (он же базовый объект) за счет снижения содержания оксидов и влаги в 3 — 4 раза. углерода в 2 — 2,5 раза и полного удаления щелочных и щелочно-земельных металлов. Возможность получать

25 пористые композиционные гранулы диаметром 50-700 мкм из дегазированных порошков значительно повышает технологические свойства обрабатываемого порошка по сравнению с прототипом (он же базовый

30 объект) за счет снижения удельной поверхности до 0,5 — 1 м /r и улучшения текучести

2 порошка.

Формула изобретения

Способ обработки металлических порошков, преимущественно тугоплавких и переходных металлов, включающий очистку путем нагрева в аргоне, вакуумирование до остаточного давления не более 1О мм рт.ст., размещение порошка тонким слоем на наклонной спиральной поверхности, нагрев до температуры не ниже 300 С и пересыпание, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности процесса и улучшения технологических свойств порошка, перед размещением порошка на наклонной поверхности его пропускают через электрическое поле, размещение порошка на наклонной поверхности осуществляют при наложении вйбрации на него и нагрев проводят до температуры 300-450 С, а пересыпание осуществляют в барабанный смеситель с последующим гранулированием в нем при температуре 0,4-0,5 температуры плавления материала порошка, скорости вращения смесителя 2-30 об/мин, вибрации с частотой 1-20 Гц и амплитудой

0.25-0,5 мм.

1740103

)»

I(C(t о

П)

)S !

" э

z (Ii

Ф

Е

S а

S

to ( о

Ф

Х (LI

Ц

I» и (()

CL э

5 (33 х z (U (() C I0

S (() а (3» (() 3Q о.

C с t

l о

cz г)

Щ

1 +Г

1 ((I о

I л

Я

I л

1 ((I-!

С»

О о

О о лл ь с» о о с»

CD

О о с) а с) ь о о л и с) !

I

1

3

l ( (I

° . ° о о О "О

N N

o o

О С) 1 I I

1 1 1 1 1 3 1 I

=т

6) о с (() (О

Iо

»Х о

Ф () ! аУ I

1 1

l L) I

I, I

I 1 (3 а

C) о

C) л о

-ао

ООО о оь л л

ooo с» ь о о о о л о о

C)

C)

О е о о о

CD О с» о с:» ь ооо

C) C) С) ооо

ООО ооо о ь с» ооо л ° ооо о о (z» а О (3 О л

1 Ю"

I S

Ю

1 Ф а (» т

1

I о

Ф о з (л(o o ь о о с» л ° о о

N N и о

О О о о

1 О О

Сл(.

О

О

CD о

N N о о оо о о

CD O г( о

О

О о

C) о о о

Р4 N

О О с) о о о е о о л ()

О о

О (М сО cnо ооо с» о о о о о о о!

1

I

I

3 !

I (° х () а

I 5 Э

1 Ф П»

I 70

1

1 а()с асо (О m а а -а w а ос» л л ° ° ° л (л(ОООО I ООО

СО. О .) мам ам л ° л, (л(л

° — OO1 I »oе I

Щ а

1 О

1.

О

C) (:» о о о л о

О О о о

° сл(C)

С:) о о м с»

О 1 о о

o o е» N

О

О

О м

О

Ln o

1 CD о (л(I

I Ф

I °

Х

1 ((3 О

C)

ООО

o c» а (а

1 1 I

ООО ооо л-з.

C)

О а с» а е

1 О О (л(е о о о а ла

1 1

О О о о с) ао ао ! °

C) t о о а с) ао е Л

1 о о а N

CD

О О л

1 1 ь о а (3.0

3 о

° т»

3 1

1 аor о. (О °, СХ X

» X

I» =Г

S (!) а с 3О

Е S S с(й Е аааа г)ммм аааа мммм

Ю CD О О а а in a in мммг м ооооо

Ln 3.Г\ м ге \ аа.

r .Nмаь л

ОООО оооо

Я

1

1

I

Г 1

I

f л

Ф S

IО (I)

1- а

О (О (33 S й

Ln o

«о о а а . ааааLninLnlnааo, (3 с(ааааа.Q. (О о л

S

Х.()

3- S

L) Z

9 а

L» 0) I

I

I. (I

Y о

З

О с) ао

»S

Б

Х

СТ о хо а

ОО л аОаОООООООООО с»(л(мм

ООО

)ее

IЩ

Q.

Э () с

Э (()

)- a ооь о о О CI

ОО О а л

О C) о с) o o о о

oooîо ооооо оаоооо оооооо

z м

Сл(г 3 М Г а О Л СО Cn ——

Ф

L)

Э

Е

S а

1:

X о г)

Э

z

Q.

Ф (-С!

1 !

I

I (1

I

1

I

3

1

I

1

i

I

1

1 (Э (Q. ()

0 Iй о

3- О

Э Х

z и Э

О 3. со

>е Z э о

X L.(» 3 (3)

L» a о э

Х о э

L ( о z о

0 Y (° и

С3 ((( ъ а

Э 30

z o

У е г) (3) а а

Е» Э

Е о о с с с э z

S 0

z x э

C °

Ф г) (() г) а (3) IO о