Технологичность материалов на основе алюминиевой пудры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Порошковая металлургия - отрасль техники, занимающаяся получением металлических порошков и изготовлением из них металлоизделий прессованием и спеканием.

Бурное развитие техники требует все новые и новые материалы, которые возможно получить методом порошковой металлургии.

Порошковая металлургия позволяет получить тугоплавкие металлы (вольфрам, тантал), сплавы на основе тугоплавких соединений и различные композиции из металлов, не смешивающихся в расплавленном виде, например, железо-свинец, вольфрам-медь, композиции из металлов и неметаллов медь-графит, алюминий-окись алюминия и др., а также пористые материалы для подшипников скольжения, фильтров.

Быстро растет применение порошковых материалов для атомной энергетики, реактивных двигателей, электронных приборов и машин для автоматического управления.

Нельзя представить современную технику без порошковых металлов.

Алюминиевые порошки и порошки сплавов на его основе получили применение для ракетного топлива, алюминиевая пудра используется для получения различных изделий труб, кружков, фольги, двутавров, полосы и другие применяемые широко в самолетостроении.

Алюминиевые порошковые материалы используются как компоненты в композиционных материалах различного функционального назначения.

1. Аналитический обзор

1.1 Композиционные материалы на металлической основе. Общая характеристика и классификация

Традиционно применяемые металлические и неметаллические материалы в значительной мере достигли своего предела конструктивной прочности. Вместе с тем развитие современной техники требует создания материалов, надежно работающих в сложной комбинации силовых и температурных полей, при воздействии агрессивных сред, излучений, глубокого вакуума и высоких давлений. Зачастую требования, предъявляемые к материалам, могут носить противоречивый характер. Решение этой задачи можно осуществить путем использования композиционных материалов.

Композиционным материалом (КМ) или композитом называют объемную гетерогенную систему, состоящую из сильно различающихся по свойствам, взаимно нерастворимых компонентов, строение которой позволяет использовать преимущества каждого из них.

Принцип построения композита человек заимствовал у природы. Типичными композиционными материалами являются стволы деревьев, стебли растений, кости человека и животных.

Композиты позволяют иметь заданное сочетание разнородных свойств: высокой удельной прочности и жесткости, жаропрочности, износостойкости, теплозащитных свойств и др. Спектр свойств композитов невозможно получить при использовании обычных материалов. Их применение дает возможность создавать ранее недоступные, принципиально новые конструкции [1 - 4].

Благодаря композитам стал возможен новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, уменьшении массы машин и конструкций и повышении весовой эффективности транспортных средств и авиационно-космических аппаратов.

Важными характеристиками материалов, работающих в этих условиях, являются удельная прочность ув/с и удельная жесткость Е/с, где ув -- временное сопротивление, Е -- модуль нормальной упругости, с - плотность материала.

Традиционные методы металловедения путем легирования и термомеханической обработки позволяют существенно повысить прочность металлов и сплавов. Однако они не могут изменить модуль упругости высокопрочного материала. По удельной прочности и жесткости композиционные материалы превосходят все известные конструкционные сплавы (рисунок 1).

Рисунок 1 - Взаимосвязь удельной прочности и удельного модуля упругости некоторых неармированных и композиционных материалов, армированных волокнами:

1 -- алюминий; 2 -- титан и сталь; 3 -- титан, армированный бериллиевой проволокой; 4 -- титан, армированный волокнами SiC; 5 -- титан, армированный волокнами борсика (SiC/B/W); 6 -- алюминий, армированный борными волокнами; 7 -- эпоксидная смола, армированная волокнами графита; 8 -- эпоксидная смола, армированная борными волокнами

Высокопрочные сплавы, как правило, имеют низкую пластичность, высокую чувствительность к концентраторам напряжений и сравнительно низкое сопротивление развитию трещин усталости. Хотя композиционные материалы могут иметь также невысокую пластичность, они значительно менее чувствительны к концентраторам напряжений и лучше сопротивляются усталостному разрушению. Это объясняется разным механизмом образования трещин у высокопрочных сталей и сплавов. В высокопрочных сталях трещина, достигнув критического размера, в дальнейшем развивается прогрессирующим темпом.

В композиционных материалах действует другой механизм. Трещина, двигаясь в матрице, встречает препятствие на границе раздела матрица--волокно. Волокна тормозят развитие трещин, и их присутствие в пластичной матрице приводит к росту вязкости разрушения.

Таким образом, в композиционной системе сочетаются два противоположных свойства, необходимых для конструкционных материалов -- высокая прочность за счет высокопрочных волокон и достаточная вязкость разрушения благодаря пластичной матрице и механизму рассеяния энергии разрушения.

Композиционные материалы состоят из сравнительно пластичного матричного материала-основы и более твердых и прочных компонентов, являющихся наполнителями. Свойства композитов зависят от свойств основы, наполнителей и прочности связи между ними.

Матрица связывает композицию в монолит, придает ей форму и служит для передачи внешних нагрузок арматуре из наполнителей. В зависимости от материала основы различают композиты:

- с металлической матрицей, или металлические композиционные материалы (МКМ);

- с полимерной матрицей -- полимерные композиционные материалы (ПКМ);

- с керамической матрицей -- керамические композиционные материалы (ККМ).

Ведущую роль в упрочнении композита играют наполнители, часто называемые упрочнителями. Они имеют высокую прочность, твердость и модуль упругости. По типу упрочняющих наполнителей композиты подразделяют на дисперсно-упрочненные, волокнистые и слоистые (рисунок 2) [8, 9].

Рисунок 2 - Схемы строения композиционных материалов: а - дисперсно-упрочненные; б - волокнистые; в - слоистые

В дисперсноупрочненные композиционные материалы искусственно вводят мелкие, равномерно распределенные тугоплавкие частицы карбидов, оксидов, нитридов и др., не взаимодействующие с матрицей и не растворяющиеся в ней вплоть до температуры плавления фаз. Чем мельче частицы наполнителя и меньше расстояние между ними, тем прочнее композит. В отличие от волокнистых, в дисперсно-упрочненных композитах основным несущим элементом является матрица. Ансамбль дисперсных частиц наполнителя упрочняет материал за счет сопротивления движению дислокаций при нагружении, что затрудняет пластическую деформацию. Эффективное сопротивление движению дислокаций создается вплоть до температуры плавления матрицы, благодаря чему дисперсно-упрочненные композиты отличаются высокой жаропрочностью и сопротивлением ползучести.

Арматурой в волокнистых композитах могут быть волокна различной формы: нити, ленты, сетки разного плетения. Армирование волокнистых композитов может осуществляться по одноосной, двухосной и трехосной схеме.

Прочность и жесткость таких материалов определяется свойствами армирующих волокон, воспринимающих основную нагрузку. Армирование дает больший прирост прочности, но дисперсное упрочнение технологически легче осуществимо.

Слоистые композиционные материалы набираются из чередующихся слоев наполнителя и матричного материала (типа «сэндвич»). Слои наполнителя в таких композитах могут иметь различную ориентацию. Возможно поочередное использование слоев наполнителя из разных материалов с разными механическими свойствами. Для слоистых композиций обычно используют неметаллические материалы.

1.2 Дисперсно-упрочненные композиционные материалы

При дисперсном упрочнении частицы блокируют процессы скольжения в матрице. Эффективность упрочнения, при условии минимального взаимодействия с матрицей, зависит от вида частиц, их объемной концентрации, а также равномерности распределения в матрице. Применяют дисперсные частицы тугоплавких фаз типа Al2O3, SiO2, BN, SiC, имеющие малую плотность и высокий модуль упругости. КМ обычно получают методом порошковой металлургии, важным преимуществом которого является изотропность свойств в различных направлениях [1 - 9].

В промышленности обычно применяют дисперсноупрочненные КМ на алюминиевой и, реже, никелевой основах. Характерными представителями этого вида композиционных материалов являются материалы типа САП (спеченная алюминиевая пудра), которые состоят из алюминиевой матрицы, упрочненной дисперсными частицами оксида алюминия. Алюминиевый порошок получают распылением расплавленного металла с последующим измельчением в шаровых мельницах до размера около 1 мкм в присутствии кислорода. С увеличением длительности помола пудра становится мельче и в ней повышается содержание оксида алюминия. Дальнейшая технология производства изделий и полуфабрикатов из САП включает холодное прессование, предварительное спекание, горячее прессование, прокатку или выдавливание спеченной алюминиевой заготовки в форме готовых изделий, которые можно подвергать дополнительной термической обработке.

Сплавы типа САП удовлетворительно деформируются в горячем состоянии, а сплавы с 6-9 % Al2O3 -- и при комнатной температуре. Из них холодным волочением можно получить фольгу толщиной до 0,03 мм. Эти материалы хорошо обрабатываются резанием и обладают высокой коррозионной стойкостью. Марки САП, применяемые в России, содержат 6-23 % Al2O3. Различают САП-1 с содержанием 6-9, САП-2 -- с 9-13, САП-3 -- с 13-18 % Al2O3. С увеличением объемной концентрации оксида алюминия возрастает прочность композиционных материалов. При комнатной температуре характеристики прочности САП-1 таковы: ув = 280 МПа, у0,2 = 220 МПа; САП-3 таковы: ув = 420 МПа, у0,2 = 340 МПа.

Материалы типа САП обладают высокой жаропрочностью и превосходят все деформируемые алюминиевые сплавы. Даже при температуре 500°С их ув не менее 60-110 МПа. Жаропрочность объясняется тормозящим действием дисперсных частиц на процесс рекристаллизации. Характеристики прочности сплавов типа САП весьма стабильны. Испытания длительной прочности сплавов типа САП-3 в течение 2 лет практически не повлияли на уровень свойств, как при комнатной температуре, так и при нагреве до 500 °С. При 400 °С прочность САП в 5 раз выше прочности стареющих алюминиевых сплавов.

Таблица 1 - Влияние температуры испытаний на механические свойства сплавов типа САП

Тисп, °С	у 0,2, МПа	д, %
20	380	7,0
100	315	6,5
200	235	5,0
300	175	3,5
400	130	2,0
500	105	2,5

Сплавы типа САП применяют в авиационной технике для изготовления деталей с высокой удельной прочностью и коррозионной стойкостью, работающих при температурах до 300-500 °С. Из них изготавливают штоки поршней, лопатки компрессоров, оболочки тепловыделяющих элементов и трубы теплообменников.

В дисперсно-упрочненных композиционных материалах основную нагрузку воспринимает матрица, а дисперсные частицы упрочнителя оказывают сопротивление движению дислокаций при нагружении материала, мешают развитию пластической деформации. Чем больше это сопротивление, тем выше прочность. Поэтому прочность зависит также от дислокационной структуры, формирующейся в процессе пластической деформации при изготовлении изделий из композиционного материала. Кроме того, дисперсные частицы наполнителя оказывают «косвенное» упрочняющее действие, способствующее образованию структуры с большой степенью нерав-ноосности зерен (волокнистой). Такая структура формируется при сочетании пластической деформации и отжигов. При этом дисперсные включения частично или полностью препятствуют ре-кристаллизационным процессам.

Уровень прочности зависит от объемного содержания упрочняющей фазы, равномерности ее распределения, степени дисперсности и расстояния между частицами. Согласно формуле Орована, сопротивление сдвигу увеличивается с уменьшением расстояния между частицами:

а = GblU, (1)

где G - модуль сдвига;

b - межатомное расстояние;

l - расстояние между частицами.

Большое упрочнение достигается при размере частиц в пределах 0,014 … 1 мкм и расстоянии между ними 0,05 - 0,5 мкм. Объемное содержание частиц зависит от схемы армирования.

Преимущество дисперсно-упрочненных композиционных материалов по сравнению с волокнистыми - изотропность свойств. К дисперсно-упрочненным композиционным материалам на алюминиевой основе, нашедшим промышленное применение, относится материал из спеченной алюминиевой пудры (САП), на никелевой основе известны композиции, упрочненные частицами оксидов тория, иттрия, гафния и др.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы на алюминиевой основе. Материал САП характеризуется высокой прочностью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью и термической стабильностью свойств.

1.3 Физико-химические основы получения порошковых сплавов, упрочненных дисперсными частицами

В последние годы в порошковой металлургии значительное место уделяется работам в области получения и исследования металлов и сплавов, содержащих нерастворимые дисперсные частицы Основная цель введения дисперсных элементов - упрочнение металлической основы -- матрицы.

Исследования металлов (алюминий, медь, никель, железо, молибден, вольфрам), содержащих дисперсные частицы окислов (главным образом Аl2Оз, Сг2Оз) и других тугоплавких соединений (карбиды, бориды, силициды), показали высокую прочность сплавов, упрочненных дисперсными частицами. Этот эффект обусловлен размером дисперсных частиц, их стабильностью в металлической основе, небольшим расстоянием между частицами и дополнительным упрочнением металлической основы в процессе пластической деформации [6 - 9].

Указанный тип материалов, независимо от металлической основы порошка и способа введения дисперсных частиц, материаловеды выделяют в особый тип материалов и именуют как «сплавы, упрочненные дисперсными частицами».

К этому же типу сплавов относится материал из спеченного алюминиевого порошка (САП), упрочняющая оксидная фаза которого есть результат поверхностного окисления частиц порошка.

Впервые опыты по получению изделий из различных алюминиевых порошков были проведены Зауэрвальдом в 1939 г.

В 1943 г. Кремер и Кордиано исследовали возможность получения алюминия и его сплавов из порошков, для чего с помощью вводимой смазки пытались уменьшить влияние тугоплавких окисных пленок, еще не предполагая их положительного влияния. При давлении прессования 950 Мн/М2 (97 кг/мм2) были получены заготовки, которые в дальнейшем спекались при 620° С. Последние обладали пределом прочности 120 Мн/м2 (12,3 кГ/мм2) и имели удлинение около 30%- Так впервые была показана возможность получения методом порошковой металлургии сплавов из алюминия. Причину высокой прочности таких материалов объяснить в то время не могли. Ирманн и Цеерледер продолжили эту работу и запатентовали в 1948 г. материал из спеченного алюминиевого порошка (САП.)

Получение алюминиевого порошка, используемого для производства материала из САП, проходит следующие основные стадии:

- распыление (пульверизация) расплава алюминия,

- размол и комкование в шаровой мельнице.

Зарождение свойств будущего материала САП, полученного из пульверизата, происходит при окислении частиц в процессе распыления. Аналогично зарождение свойств материала САП, полученного из порошка после размола пульверизата, определяется окислением свежих поверхностей твердого алюминия в атмосфере, наведенной в шаровой мельнице. Каждая новая окисленная поверхность с окисной пленкой толщиной 3--5 нм (30--50 А) вместе с участком алюминиевой матрицы, на котором она образовалась -- это уже своего рода элемент, из которых состоит компактный материал САП системы А1--А120з. Тонкая пленка окиси алюминия, покрывающая частицы пульверизата, либо образовавшаяся после размола в компактном материале САП, после всех деформационных разрушений играет роль дисперсной упрочняющей фазы [12 - 18].

Получение полуфабрикатов из алюминиевого порошка подчиняется общей схеме, принятой в порошковой металлургии: брикетирование, спекание либо горячая подпрессовка, далее прокатка либо прессование. В процессе брикетирования и прессования окисные пленки дробятся, участки алюминиевой матрицы, свободные от окисных пленок, наряду с развивающимся процессом схватывания при брикетировании упрочняют свои связи за счет диффузионных процессов при спекании, горячей подпрессовке и прессовании. Полученные в процессе горячей деформации полуфабрикаты представляют собой спеченную алюминиевую матрицу с относительно равномерным распределением дисперсных частиц окиси алюминия, содержание которой может меняться от 1 до 18--20% (по объему).

Однако дисперсионно твердеющие алюминиевые сплавы обладают высокими механическими свойствами при температурах, не превышающих 200--250° С. Процесс коагуляции упрочняющих фаз в алюминиевых сплавах при температурах, превышающих оптимальную температуру их старения, резко снижает механические свойства. В то же время материал САП содержит в качестве упрочняющей фазы дисперсную окись алюминия, которая практически не растворяется в алюминиевой матрице и не коагулирует. Вследствие высокой термической стабильности дисперсной окиси алюминия в САП, прочностные свойства его при температурах 400--500° С существенно выше прочности стареющих алюминиевых сплавов ВД-17 и Д-20.

Перспективность материала САП определяется его сравнительно высокими значениями длительной прочности и усталости при температурах до 482° С.

Гетиел отмечал следующие основные достоинства материала САП:

1 Возможность получения из чистого алюминия поверхностно окисленного порошка путем распыления с последующим размолом в шаровой мельнице.

2 Высокая пластичность металлической основы, вследствие чего большое содержание второй хрупкой фазы не вызывает общего охрупчивания материала.

3 Специфические физические и механические свойства как небольшая плотность, низкий коэффициент термического расширения, высокая тепло- и электропроводность, высокое сопротивление коррозии и истиранию, высокая жаропрочность и термическая стабильность (возвращение механических свойств к исходному состоянию наблюдается после длительного нагрева до 500° С).

4 Плотное прилегание окисной пленки к металлу.

5 Термическая устойчивость окисной фазы при температурах эксплуатации алюминиевых сплавов.

Из общего анализа литературных данных видно, что конечные прочностные свойства материала САП зависят от физико-химического состояния окиси алюминия, формирующейся на исходном алюминиевом порошке, и ее взаимодействия с алюминиевой матрицей. Количество окиси алюминия находится в прямой зависимости от удельной поверхности частиц, что в свою очередь определяется временем помола пульверизата в шаровой мельнице. Тонкость помола влечет за собой увеличение удельной поверхности и количества окиси алюминия в процессе размола.

С увеличением содержания окиси алюминия механические свойства материала САП при комнатной и повышенных температурах растут.

Отмеченные высокие механические свойства САП, безусловно, связаны с благоприятными физико-химическими свойствами алюминиевой основы:

1) высокой скоростью окисления,

2) высокой температурой плавления окисной фазы (2020° С),

3) когерентной связью окисной пленки с матрицей

Одно из направлений увеличения прочности материала из спеченных алюминиевых порошков заключается в получении поверхностно окисленных порошков из различных алюминиевых сплавов. В этом случае упрочнение спеченных алюминиевых сплавов (САС) определяется, с одной стороны, наличием окисной фазы, а с другой, дисперсными частицами интерметаллид-ных соединений алюминия с другими металлами (например, с Fe, Сг, Ni, Mn, Ti, Zr). Элемент, образующий соединение, должен растворяться в жидком алюминии, а его соединение обладать малой растворимостью в твердом алюминии.

1.4 Методы получения металлических порошков

Механическое измельчение производится в шаровых мельницах. Для ковких металлов механическое измельчение приводит не к дроблению, а к расплющиванию частиц, поэтому этот метод применяется в следующих случаях:

а) для получения алюминиевых пудр размолом алюминиевого порошка (пульверизата) полученного распылением;

б) измельчение крупных металлических губок полученных электролизом (железа - титана и др.);

в) измельчение хрупких сплавов (алюминий - магний и др.).

Распыление жидких металлов

а) Грануляция расплавленного металла

Этот метод используется для получения частиц сферической формы дав, размером 0,5 - 3 мм. Расплавленный металл гранулируется при литье в воду на вращающийся диск. Этим способом получают порошки из малоуглеродистого чугуна.

б) Центробежное распыление

Струя расплавленного металла вытекает из сопла, окруженного водяной рубашкой, в которую подается вода под давлением 5 ат. Поток воды увлекает металл на быстро: вращающийся диск (около 300 об/мин) со специальными насадками для разбивания частиц порошка. Частицы порошка получаются не жидкой сферической формы, а с шероховатыми профилем.

в) Распыление жидких металлов воздухом или газом.

Этот метод применяется значительно шире, чем центробежное распыление и основан на дроблении струи металла сжатым воздухом шли газом.

Существует три метода получения порошков распылением сжатым воздухом:

1 Расплавленный металл в распылительный узел поступает самотеком

2 Расплавленный металл в узел распыления подается инерцией. При работе форсунки выходящий через щель с большой скоростью воздух, увлекает за собой находящийся в ниппеле воздух и создает перед ним разрежение. Так как на поверхность расплавленного металла действует атмосферное давление, а внутри чугунного колена создалось разрежение, то металл поднимается по колену вверх и поступает в ниппель. При выходе из ниппеля струя металла дробится воздушной струей в порошок.

3 Расплавленный металл подается под давлением. По этому принципу работают и распылительные форсунки низкого давления 4ат., в которые расплавленный металл подается под давлением.

В тигель с металлом подается воздух давлением 0,7ат. металл выжимается по колену в форсунку, при выходе из которой распыляется сжатым воздухом давлением 4 атм.

При производстве порошков приходится иметь дела с отходящими технологическими газами и воздухом, содержащими пыль, улавливание которой необходимо по техническим, экономическим и санитарно-гигиеническим соображениям.

Образование пыли в практике производства металлических порошков и пудр происходит в результате уноса потоками воздуха или газа мелких частиц (механический унос). Для осаждения пыли и газов в промышленности применяют различные пылеулавливающие аппараты. КПД газоочистного аппарата определяют по разности концентрации пыли во входящем и отходящем газе.

Наиболее важной характеристикой пыли, с точки зрения пылеулавливания, является дисперсность.

Дисперсность пыли определяется механизмом и условиями их образования:

- пыли образовавшиеся за счет воздействия газового потока на мелкие частицы (унос, связанный с пульверизацией, пересыпкой и др.) Крупность этих пылей определяется скоростью газового потока. Обычно эти пыли имеют размер от 3 до 200 мкм, неправильную форму (развитую поверхность);

- пыли, образовавшиеся в результате конденсации паров при охлаждении газов с выделением твердых частиц. Такие пыли относятся к категории дымов, а в цветной металлургии называются возгонами. В большинстве случаев частицы таких пылей имеют размеры в десятую и сотую доли микрона и легко коагулируются в более крупные агрегаты (возгоны окиси цинка, свинца и др.).

Аэрозоли, состоящие из капелек жидкости, образовавшейся в результате конденсации паров, называются туманами. К категории туманов относятся высоко дисперсные системы малой концентрации, длительное время не отстаивающиеся. Размер частиц туманов от 0,01 до 1,0 мкм.

Пылеулавливающие аппараты могут быть подразделены на две основные группы:

а) для улавливания пыли с размером частиц белее 5 мкм;

б) для частиц менее 5 мкм.

Однако эта классификация в значительной степени условна, поскольку улавливание зависит не только от размеров частиц, но и от других свойств, а также от концентрации пыли в газовой среде. Во всех пылеулавливающих аппаратах частицы пыли и туманы подвергается действию сил, отводящих их из газового потока (сила тяжести, центробежная сила, электрическая сила и т.д.). Движению частиц под влиянием этих сил, противодействует сопротивление среды. Обычно схема газоочистки включает последовательно соединенные газоочистные аппараты, для раздельного улавливания крупных и высокодисперсных частиц.

1. Осадительные камеры, вследствие их малой эффективности, больших габаритов и трудности равномерного распределения газа по сечению применяются для улавливания очень крупной пыли, иногда при высокой температуре газа. В этих аппаратах частицы пыли осаждаются в результате действия силы тяжести. При попадании в камеру поток резко расширяется из-за чего снижается скорость газа, частицы, имеющие большой вес по кривой траектории осаждаются на дно камеры. Размер осаждающихся пылинок в камере при постоянном расходе газа, определяется, в основном, длиной осадительной камеры: у входа газа в камеру выпадают крупные частицы, на выходе - более мелкие. Таким образом, в камере происходит своеобразное разделение пыли по дисперсности.

2. Циклоны

Принцип отделения твердых частиц из газовой среды в циклонах основан на действии центробежных сил, возникающих при движении газа по спирали. Прижимаясь под действием этих сил к внутренней поверхности стен циклона, частицы теряют скорость, опускаются и оседают в конической части аппарата. Ввод газа в циклон осуществляется тангенциально, поэтому движение потока в цилиндрической части происходит по винтовой линии. В циклонах улавливается пыль с размером частиц более 5 мкм. Минимальный размер улавливаемых в циклоне частиц может определяться по уравнению:

(2)

где С - постоянная, зависящая от характеристики газопылевой

системы и формы циклона.

D - диаметр циклона.

Из уравнения следует, что при одинаковых скоростях газа с уменьшением диаметров циклонов улучшается условия улавливания пыли. Направляя газ из одного циклона в другой со все увеличивающейся скоростью и применяя циклоны различных размеров, можно рассортировать пыль по размерам частиц.

Практика газоочистки показывает, что наилучших результатов по выделению пыли можно добиться, используя циклоны малых диаметров с высокой скоростью движения газа. Поэтому для очистки пыли часто прибегают к использованию мультициклонов.

Мультициклон представляет батарею небольших циклонов собранных в один агрегат (из двух и более). Газ поступает в общий коллектор и распределяется по отдельным циклонам (элементам). Выходящий газ поступает в общий коллектор. Стандартные размеры мультициклонов и типовые конструкции приведены в каталоге "Газоочистка". Выбор размеров мультициклонов производится по расходу газа.

3. Рукавные фильтры

Для улавливания дисперсной пыли с размером частиц менее 5 мкм используются рукавные фильтры. В качестве фильтрующего материала используется стеклоткань, асбестовая ткань, шерстяные ткани в зависимости от температуры поступающего газа. При прохождении запыленного газового потока через фильтровальную ткань в порах ткани и на ее поверхности осаждается пыль. Как правило, размеры осаждаемых частиц во много раз меньше среднего диаметра пор фильтровальной ткани. Задержание пыли обусловлено столкновением частиц с волокнами ткани, образующих многослойную объемную решетку. Осевшие на поверхности и порах частицы пыли сцепляются друг с другом и образуют вторичную пористую перегородку, участвующую в задержании пыли из газов. Степень задержания пыли фильтровальной ткань: зависит от факторов: удельный вес частиц, их формы и дисперсность, концентрации пыли в газах, скорости (фильтрации, конструкции фильтровальной ткани и т.д. Запыленный газ подается в нижнюю (бункерную часть газохода и поступает внутрь рукавов, проходит через ткань и поступает в общий коллектор и выбрасывается в атмосферу. Через определенные промежутки времени одна из секций автоматически переключается в рабочее положение, а другая, в это время находится на продувке (обратной) с одновременным встряхиванием рукавов.

При нормальной состоянии фильтровальной ткани, рукавные фильтры работают в производственных условиях с КПД 92 - 97 %.

Оптимальный режим процесса распыления характеризуется определенными значениями температуры, давления, расхода азота, состава азота.

От правильного соблюдения технологического режима зависит качество пульверизата, экономичность работы установки. Только применение приборов контроля технологических параметров может обеспечить правильное ведение технологического процесса.

1.5 Композиционные материалы с участием алюминиевого порошка

Пудра Алюминиевая Пигментная представляет собой тонкоизмельченный порошок алюминия, в Зависимости от размера чешуек различают два вида ПАП-1 и ПАП-2. Используется алюминиевая пудра (ПАП) как пигмент для красок, эмалей, резиновых клеев. За счет своей высокой химической активности применяется для производства газобетона. Алюминиевая пудра (ПАП), или Серебрянка - краска применяемая как декоративное покрытие для металлических, деревянных и других поверхностей, характеризуется высокой прилипаемостью к стали. Алюминиевая пудра предназначена в этом случае для обеспечения сохранности стальных конструкций, и иных металлических элементов, подвергающихся воздействию температуры до 450°С [12 - 14].

Как отмечалось, процесс получения полуфабрикатов дисперсно-упрочненных композитов на основе металлической матрицы включает следующие операции: приготовление порошковой смеси, формование, спекание, деформационная и термическая обработка. Рассмотрим более подробно основные свойства, технологические методы получения и области применения конкретных видов дисперсно-упрочненных композиционных материалов ДКМ.

Широкое применение в технике нашли алюминиевые ДКМ, упрочненные оксидом алюминия, что способствует существенному повышению жаропрочности и характеристик ползучести алюминия. Часто применяют три марки ДКМ А1-А1₂О_э, отличающиеся содержанием оксида. САП-1 (6-9% Аl₂О₃), САП-2 (9.1-13% А1₂0₃) и САП-3 (13.1-17% А1₂0₃). При увеличении содержания А1₂О₃ в ДКМ растут твердость и прочность, а пластичность, коэффициент термического расширения, тепло- и электропроводность снижаются. САП-ы имеют высокую коррозионную стойкость, не подвержены межкристахтитной коррозии и коррозии под напряжением. Они отличаются высокой радиационной стойкостью.

Для изготовления ДКМ используют тонкодисперсные алюминиевые порошки (пудру). Предварительно дегазированные порошки брикетируют на гидравлических прессах при температуре 833-873К и давлении 300-600МПа и подвергают деформированию. ДКМ А1-А1₂0₃, полученные холодным экструдированием смеси порошков, обладают высокой износостойкостью. С увеличением содержания А1₂0₃ (до 30 %) предел текучести, предел прочности, относительное удлинение и вязкость ДКМ уменьшаются, а износостойкость растет.

Основной упрочняющей фазой в ДКМ Аl - С служит карбид алюминия. Дисперсно-упрочненные композиты получают методами порошковой металлургии и литья. Износостойкие ДКМ Аl - С получают путем механического замешивания подогретого (873К) порошка ^гРафита в расплаве алюминия. Для улучшения смачивания алюминием "Рафит покрывают медью.

ДКМ на основе алюминия с карбидами (TiC, ZrC, NbC, WC, Cr₃C₂ Мо₂С) (объемная доля 2-8%) получают путем механического смешивания с последующим прессованием, спеканием, прокаткой и отжигом. Прочностные характеристики зависят от природы химической связи упрочняющей фазы.

ДКМ Аl - AlN, Al - Si₃N, получают методом плазмохимического синтеза, а ДКМ Al-FeAl₃ - методом механического легирования.

Рассмотрим спеченные алюминиевые порошки - САПы.

САП состоит из алюминия и оксида алюминия. Получают САП путем последовательного брикетирования, спекания и прессования окисленной с поверхности алюминиевой пудры.

Исходным материалом при получении пудры служит порошок пульверизат, который изготовляют распылением расплавленного алюминия А6 (ГОСТ 11069-74). Порошок размельчают в шаровых мельницах в атмосфере азота с добавлением 2-3% кислорода и 0,25-1,2% стеариновой кислоты. Кислород добавляют для окисления вновь образованных поверхностей пудры, стеарин для облегчения скольжения и препятствия свариванию частиц пудры. Частицы пудры имеют форму чешуек толщиной менее 1 мкм. Размер частиц по длине и ширине одного порядка. Он зависит от длительности размола. Толщина оксидной пленки частиц равна 0,01Ч),1 мкм. Чем продолжительнее время размола, тем мельче частицы пудры, больше их общая поверхность и, следовательно, выше содержание окиси алюминия. Например, пудра марки АПС-1 с размером частиц 30-50 мкм содержит 6-8% Al₂O₃, а пудра АПС-2, имеющая размер частиц 10 - 15 мкм, 9 - 12% Al₂O₃.

Структура САП представляет собой алюминиевую основу с равномерно распределенными дисперсными включениями Al₂O₃. С увеличением содержания Al₂O₃ повышаются прочность, твердость, жаропрочность САП и уменьшается его пластичность. Высокая прочность САП объясняется большой дисперсностью оксидной фазы, малым расстоянием между ее частицами. Нерастворимость в алюминии и отсутствие склонности к коагуляции тонкодисперсных частиц Al₂O₃ обеспечивает стабильность структуры и высокую прочность при температурах до 500 °С.

САП хорошо деформируется в горячем состоянии, хуже в холодном, легко обрабатывается резанием и удовлетворительно сваривается контактной, аргонодуговой сваркой. В настоящее время в основном применяют САП-1, САП-2 и САП-3, из них производят все виды полуфабрикатов: листы, профили, штамповые заготовки, трубы, фольгу. САП используют для деталей, работающих при температуре 300 -500 °С, от которых требуются высокая удельная прочность и коррозионная стойкость (поршневые штоки, лопатки компрессоров, лопасти вентиляторов и турбин в химической и нефтяной промышленности, конденсаторы, обмотки трансформаторов в электротехнике).

Спеченные алюминиевые сплавы (САС) изготовляют в основном по той же технологии, что и САП из порошков, полученных распылением сплавов заданных составов.

Практическое значение имеют сплавы с низким температурным коэффициентом линейного расширения, близким к коэффициенту линейного расширения стали, и высоким модулем упругости. Так, САС состава: 25-30% Si; 5-7% Ni; остальное Al - имеет а = (14,5 - 15,5) х X 1/°С; Е = 100 ГПа. Эти сплавы заменяют более тяжелые стали при изготовлении отдельных деталей приборов. Механические свойства САС характеризуются достаточно высокой прочностью, твердостью (Cg = 260 МПа; НВ 1200) и низкой пластичностью ( = 1,5 1 %). Преимущества спекаемых алюминиевых сплавов по сравнению с обычными аналогичного состава отсутствие литейных дефектов (ликвации, шлаковых включений и т. д.) и мелкозернистая структура с равномерным распределением фаз.

В строительном материаловедении находят применение разнообразные композиционные материалы: кирпичи, строительные смеси, бетоны и т.д.

Еще совсем недавно первая разновидность ячеистых бетонов -- газобетон имел преимущественное развитие. Технология газобетона достаточно проста и позволяет получить материал пониженной плотности со стабильными свойствами.

Газобетон приготовляют из смеси портландцемента (часто с добавкой воздушной извести или едкого натра), кремнеземистого компонента и газообразователя. По типу химических реакций газообразователи делят на следующие виды:

- вступающие в химические взаимодействие с вяжущим или продуктами его гидратации (алюминиевая пудра);

- разлагающиеся с выделением газа (пергидроль);

- взаимодействующие между собой и выделяющие газ в результате обменных реакций (например, молотый известняк и соляная кислота).

Чаще всего газообразователем служит алюминиевая пудра, которая, реагируя с гидратом окиси кальция, выделяет водород.

1.6 Патентный поиск

В процессе дипломной работы был проведен информационный патентный поиск по следующим направлениям:

- порошковые сплавы, упрочненные дисперсными частицами;

- дисперсионно твердеющие алюминиевые сплавы;

- САПы;

- композиционные материалы с участием алюминиевого порошка.

Поиск был проведен за 1987 - 1990 гг. и 1995 - 2010 гг. и найдены патенты приведенные ниже.

2008144225/02

Опубликовано: 27.11.2009

КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ

Реферат:

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к композиционным материалам на основе алюминиевых и магниевых сплавов, упрочненных высокомодульными нановолокнами. Может использоваться в судостроении, при создании конструкций и оборудования авиакосмических средств, железнодорожного и других видов транспорта в качестве конструкционных материалов. Композиционный материал содержит матрицу из металла, выбранного из группы, содержащей алюминий, магний или их сплавы и 20-80 об.% упрочнителя, выполненного в виде армирующих нановолокон оксида алюминия, покрытых пленкой аморфного углерода Материал обладает высоким уровнем прочностных свойств, а также пониженной массой.

98104120/02

Опубликовано: 10.11.2002

СПЕЧЕННЫЙ АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ

Реферат:

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано в приборостроении для изготовления слабонагруженных и ненагруженных деталей, например радиаторов охлаждения полупроводниковых приборов, подошвы электрического утюга и др., а также в качестве электроконтактного материала. Спеченный алюминиевый сплав содержит медь при следующем соотношении компонентов, мас. %: медь 30-55; алюминий - остальное, и спечен при температуре 500-550oС. Технический результат - удешевление производства спеченного алюминиевого сплава за счет экономии энергии, затрачиваемой на операцию спекания.

2007120975/02

Опубликовано: 20.06.2009

ШИХТА ДЛЯ АНТИФРИКЦИОННОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И СПЕЧЕННЫЙ АНТИФРИКЦИОННЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ, ПОЛУЧЕННЫЙ С ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

Реферат:

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к спеченным композиционным материалам на основе алюминия для деталей триботехнического назначения - втулок, подшипников скольжения, уплотнений, подпятников. Шихта для композиционного материала на основе алюминия содержит, ат.%: порошки переходных металлов, выбранных из Fe, Cr, Ni, Ti, Co, V, Zr - 7,5-20, легирующие элементы, выбранные из Cu, Zn, Si, Mg, Li, Sn, Pb - 0,3-12, алюминий - остальное. Спеченный композиционный материал на основе алюминия, полученный с использованием указанной шихты, включает легированную алюминиевую матрицу и упрочнитель в виде частиц алюминида состава Al3Х, где Х - Fe, Cr, Ni, Ti, Со, V, Zr, при следующем соотношении, ат.%: упрочнитель 30-60, матрица - остальное. Полученный материал обладает высокими твердостью и триботехническими характеристиками. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил., 3 табл.

2008118847/03

Опубликовано: 27.05.2010

СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЯЧЕИСТОГО БЕТОНА

Реферат:

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано при изготовлении ячеистого бетона неавтоклавного твердения. Сырьевая смесь для приготовления ячеистого бетона включает, мас.%: портландцемент 55,88-65,09, кварцевый песок с модулем крупности Мкр до 1,8 14,1-29,31, керамзитовый песок с удельной поверхностью 2000-2500 см2/г 10,06-22,67, пенообразователь «Неопор» 0,32-0,37, алюминиевая пудра 0,067-0,078, вода до В/Т=0,35-0,45. Технический результат - повышение предела прочности при сжатии и коэффициента конструктивного качества при сохранении пониженной средней плотности.

2008135197/03

Опубликовано: 10.01.2010

ЯЧЕИСТЫЙ БЕТОН АВТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯ

Реферат:

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано для изготовления теплоизоляционных ячеистых бетонов автоклавного твердения для гражданского и промышленного строительства. Ячеистый бетон автоклавного твердения изготовлен из сырьевой смеси, содержащей золу-унос ТЭЦ электрофильтрового отбора с содержанием SiO2 50-65%, Аl2О3 18-30%, Fе2О3 2-15%, СаО не более 10%, MgO не более 3% и SO3 не более 2% и свободного СаО менее 1% и удельной поверхностью, соответствующей остатку на сите 008 не более 20%, цемент, известково-зольную смесь ИЗС с соотношением извести и золы 1:1, газообразователь на основе алюминиевой пудры и шлам, приготовленный из отходов производства ячеистого бетона, характеризующийся плотностью 1200-1500 кг/м3 и температурой 20-40°С, при следующем соотношении ко

2007112385/03

Опубликовано: 27.12.2008

СОСТАВ И СПОСОБ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГАЗОБЕТОНА

Реферат:

Изобретение относится к области изготовления строительных материалов и может быть использовано для производства разновидности ячеистого бетона - газобетона. Технический результат - повышение качества газобетона, увеличение срока хранения сухого порообразователя. Состав для получения газобетона содержит в качестве газообразователя порообразователь - смесь, полученную совместным помолом до 10 мкм, следующего состава, мас.%: алюминиевая пудра 10-60, известняковая мука 39,99, сульфонат натрия - остальное, при следующем соотношении компонентов, мас.%: цемент - 51, зола-унос ТЭЦ - 27, указанный порообразователь - 0,3, вода - остальное. Способ получения газобетона включает приготовление указанного выше состава путем перемешивания цемента, золы-уноса ТЭЦ и воды в миксере с числом оборотов от 1000 об/мин в течение 1 мин с последующим введением указанного порообразователя при перемешивании в течение 30 сек и разлива полученной смеси в формы, ее вспучивание и отвердение. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

ель работы: анализ производства и свойств алюминиевых порошковых материалов и оценка технологичности получения композитов различного функционального назначения с использованием алюминиевой пудры

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- анализ технологии производства и свойств алюминиевых порошковых материалов (на примере продукции ООО «Валком-ПМ»);

- анализ технологии производства дисперсно-упрочненных композиционных материалов: САП, САС;

- определение возможности использования алюминиевой пудры при формировании композиционных материалов;

- разработка рекомендаций к технологическому процессу производства строительного композита, газобетона, при использовании алюминиевой пудры пигментной марки ПАП-1, ПАП-2производства ООО «Валком-ПМ».

2. Материаловедение

2.1 Основные свойства порошка и методы их контроля

Физико-химические и физико-технологические свойства металлических порошков в основном определяются областью их применения.

Химические свойства порошка характеризуются его составом, т.е. содержанием основного металла (алюминия) и примесей.

Физические свойства порошка определяются формой частиц, фракционным составом, удельной поверхностью.

Технологические свойства порошка определяются насыпным весом, весом утряски, текучестью.

Основные показатели порошков определяются ГОСТами или ТУ.

Химический состав порошков в большей степени зависит от химического состава исходного сырья и технологии получения.

Алюминиевые порошки, полученные распылением первичного алюминия, содержат, в основном примеси железа, кремния, меди и окиси алюминия Примеси железа, кремния, меди содержатся в негодном алюминия количество которых определено ГОСТом в зависимости от марки, но могут вноситься и в процессе распыления:

1) Кремний

а) поступает из кладки при взаимодействии окиси кремния с расплавленным алюминием;

б) вносится с загрязненными чушками;

2) Железо вносится при работе стальным инструментом и попадании стальных предметов в расплав (крепящий форсунку клик, инструмент и др.);

3) Медь вносится при попадании латунного или бронзового инструмента в расплавленный металл.

Окись алюминия образуется при окислении кислородом поверхности частиц в процессе расплавления.

Алюминий отличается высоким сродством к кислороду. При дроблении расплавленного металла вновь образованная поверхность частиц при контакте с кислородом, содержащимся в воздухе или азоте, мгновенно покрывается пленкой из окиси алюминия. Толщина пленки зависит от концентрации кислорода в факеле и пылеосадителе.

При распылении воздухом на поверхности частиц образуется рыхлая, утолщенная пленка, при распылении азотом с содержанием кислорода менее 0,8% окисная пленка тоньше в десятки раз и имеет более плотную упаковку. Поэтому степень дисперсности окисления порошка зависит от его дисперсности и концентрации кислорода в факеле распыления.

Значительное влияние на формообразование частиц оказывает величина поверхностного натяжения расплавленных металлов.

Поверхностное натяжение - стремление жидкости уменьшить свою поверхность, обусловленное действием молекулярных сил. Молекулы, находящиеся внутри жидкости, испытывают одинаковые по всем направлениям притяжение со стороны окружающих молекул, молекулы поверхностного слоя подвергаются неодинаковому притяжению со стороны внутренних слоев жидкости и со стороны газовой среды. Так на поверхности раздела жидкость-воздух молекулы жидкости поверхностного слоя, испытывают больше притяжение со стороны молекул находящихся внутри жидкости, чем со стороны молекул газа.

Под воздействием этих сил жидкость стремиться занять наименьшую поверхность и поэтому стремиться к сфере.

Чем больше силы взаимодействия внутренних и поверхностных молекул, а они у различных веществ различны, тем больше капля этой жидкости стремиться принять шарообразную форму. Чем меньше количество взятой жидкости, тем сильнее проявляется поверхностное натяжение. Например: ртуть в большой массе растекается и принимает сфероидальную форму, а мелкие капли ртути принимают форму шариков, то же самое можно сказать про капли дождя и тумана.

Сферические частицы порошка алюминия при распылении получаются в случае, когда силы поверхностного натяжения успевают придать шарообразную форму каплям металла до их затвердевания.

Частицы пульверизата первичного полученного распылением холодным воздухом, получаются, как правило, неправильной формы по следующим причинам:

а) дробление металла в факеле на выходе из форсунки происходит при температуре начала кристаллизации алюминия 660 ° С, поэтому сфера не успевает сформироваться, как частица затвердевает. Кроме того, при дальнейшем затвердевании при температуре 400 - 500 ° частицы слипаются друг с другом, деформируются при столкновении со стенками пылеосадителя и друг с другом. Вероятность слипания и деформации тем больше, чем крупнее частицы пульверизата, т.к. в этом случае процесс теплообмена между частицей и окружающей средой протекает более длительное время, следовательно время затвердевания частицы удлиняется.

Для получения пульверизата с высоким насыпным весом и с частицами к сфере, снижают производительность форсунки за счет уменьшения диаметра ниппеля до 5 - 6 мм, ширины щели до 1,5 - 2,0 мм, температуру металла поднимают до 780 °С.

При распылении частицы получаются более мелкие, успевают из-за повышенной температуры металла сформироваться в сферу, быстро охлажда- ются и затвердевают в первозданном виде; j

б) при температуре в пылеосадителе более 180 °С процесс охлаждения частиц замедляется, создается возможность деформации частиц и их слипания.

Пульверизат слеживается в конусе пылеосадителя в комки, теряется сыпучесть, затрудняется его загрузка.

Поэтому даже с точки зрения облегчения условий труда, нельзя поднимать температуру в пылеосадителе больше 160 С, если увеличивается температура металла, должна снижаться производительность форсунки и наоборот.

Основными факторами, определяющими получение сферических частиц дисперсного пульверизата для производства АСД, является:

а) распыление металла протекает при температуре 700 °С, что значительно выше температуры затвердевания алюминия благодаря подогреву азота до 500 °С и температуры металла 800 °С, в стих условиях частицы формируется в сферу;

б) разогретые частики до температуры 600 - 650 °С попадают в факел холодного азота обдувочного кольца и затвердевают в форме сферы;

в) распыление ведется форсунками пониженной производительностью при высоких давлениях и сверхзвуковых скоростях истечения азота, что обеспечивает тонкое распыление металла, мелкие частицы быстрее получают форму сферы и быстро охлаждаются.

Отклонение от инструкции неизбежно приведут к потере сферической формы порошка.

Следует отметить, что примеси железа, кремния, меди увеличивают поверхностное натяжение алюминия и поэтому облегчаются условия получения пульверизата с частицами сферической формы.

Рассмотрим размеры и распределение частиц по крупности.

Фракционный или гранулометрический состав пульверизата определяется условиями распыления металла.

Содержание мелких фракций в пульверизате зависит от размеров форсунки и ее вакуумной характеристики, температуры металла, давления:

а) при повышении температуры металла повышается жидкотекучесть, улучшаются условия дробления металла;

б) повышение давления увеличивает скорость истечения газа через щель, снижается производительность из-за уменьшения вакуума, но содержание мелких фракций увеличивается.

Значение вакуума форсунки при данном давлении и линейных размерах достаточно описаны в предыдущих разделах.

Характер распределения крупности частиц порошка в зависимости от давления распыляющего воздуха, при повышении давления резко возрастает содержание частиц размером 200 мкм. При получении пульверизата с повышенным содержанием фракций менее 100 мкм, необходимо, по возможности поднять давление перед форсункой.

Фракционный или гранулометрический состав порошка определяется методом рассева на стандартных ситах, подсчетом в оптическом или электронном микроскопах, седиментации (осаждение в жидкой среде) и др.

Наиболее распространенным методом является ситовой анализ, заключающийся в последовательном просеивании определенной навески через сита с различной величиной отверстий или на одном сите в зависимости от технического требования к пульверизату.