Будь умным!


У вас вопросы?
У нас ответы:) SamZan.net

КОНТРОЛЬНА РОБОТА з дисципліни Основи отримання порошкових та композиційних матеріалів Варіант 13

Работа добавлена на сайт samzan.net:


7

Національний технічний університет України

      «Київський політехнічний інститут»

 

КОНТРОЛЬНА РОБОТА

з дисципліни «Основи отримання порошкових та композиційних матеріалів»

Варіант № 13

Студентки 3 курсу, групи ФА-11 

напряму підготовки «Інженерне матеріалознавство»

Галич Яни Олегівни

Викладач Степанчук А.М.

Київ 2013 р.

ЗМІСТ (завдання)

  1.  Дати загальну характеристику методам отримання порошків тугоплавких сполук.....................................................................................................................................3
  2.  Хімічні властивості порошків. Їх залежність від різних чинників..........................13
  3.  Загальна характеристика ізостатичних методів формування порошкових виробів..................................................................................................................................14
  4.  Дія механізмів поверхневої дифузії та перенесення через газову фазу при спіканні порошкових виробів..........................................................................................................18
  5.  Високопористі порошкові вироби. Загальна технологічна схема їх виготовлення.......................................................................................................................19

  1.  Загальна характеристика методів отримання порошків тугоплавких сполук

До тугоплавких з'єднань перш за все відносяться карбіди, бориди, нітриди, силіциди перехідних металів: IVї — VIї підгруп періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва.

МЕТОДИ ОТРИМАННЯ КАРБІДІВ

 Отримання карбідів прямим синтезом з елементів:

Метод застосовується для отримання карбідів як в промисловій, так і в дослідницькій практиці. При цьому залежно від характеристики початкових матеріалів і варіанту здійснення синтезу можна отримати продукт високого ступеня чистоти. Технологія виробництва представлена:

Для цієї мети використовують вакуумні печі періодичної дії. Синтез карбідів здійснюється при температурах 1200—1600°С і характеризується порівняно невеликим зменшенням енергії  Гіббса. У основі процесів карбідизації лежить дифузія вуглецю в метал, а на кінцевих стадіях — в карбід, що утворився. Процес дифузії помітно починає протікати вже при температурі порядку 1000°С.

При виробництві карбідів технічної чистоти процес ведуть в захисному середовищі.   Можна використовувати  водень, конвертований газ, рідше — диссоційований аміак або аргон. Процес в цьому випадку проводять в муфельних печах або в печах Таммана. У основі процесу карбідізації, як і при синтезі у вакуумі, лежить процес дифузії вуглецю в метал. Проте швидкість процесу  вище.

Відновлення оксидів металів вуглецем з одночасною карбідизацією:

Метод  в порівнянні з прямим синтезом є економічнішим. Він досить широко використовується для отримання карбідів тугоплавких металів IVї і Vї підгруп, а також карбідів хрому і бору. 

Природа вихідних оксидів може істотно впливати на процеси відновлення і карбідизації. Саджу або графіт, використовують як відновники і джерела вуглецю для вуглецювання відновленого металу. Початкові матеріали піддаються ретельному змішуванню в кульовому млині.

Далі шихту піддають брикетуванню або щільній упаковці в графітові патрони.

Для отримання карбідів використовують вакуумні печі з графітовим нагрівачем або печі Таммана.

У основі процесів отримання карбідів лежить відновлення оксидів металів вуглецем і подальше вуглецювання ними відновлених металів. При отриманні карбідів у вакуумі процес йде швидше і продукт виходить чистішим по домішках.

При отриманні карбідів в середовищі водню певний вплив на швидкість процесу грає регенерація оксиду вуглецю.  Наявність вуглецю в газовій фазі значно збільшує реакційну поверхню і тим самим прискорює процеси відновлення і карбідизації.

Істотний вплив на швидкість і повноту протікання процесу отримання карбідів надає сорт відновника і його властивості.

При виборі режимів отримання карбідів слід мати на увазі, що при високих температурах частинки сажі здатні збільшуватися в об'ємі, що знижує їх реакційну здатність. Тому процес необхідно проводити з максимально можливою швидкістю нагріву шихти до температури ізотермічної витримки.

Отримання карбідів плазмохімічним методом:

Плазмохімічний метод є перспективним для отримання порошків тугоплавких з'єднань з розміром частинок менше 1 мкм. Здійснюється метод в умовах низькотемпературної плазми. Завдяки високій концентрації енергії хімічні реакції в плазмовому потоці протікають практично миттєво, що забезпечує високу продуктивність методу. Процес можна здійснювати в дугових, високочастотних, надвисокочастотних плазмотронах і установках тліючого розряду.

Практичного значення даний метод для отримання карбідів не знаходить. Найзручніше в даний час отримувати карбіди в дуговому плазмотроні з використанням електродів, що витрачаються, виготовлених з суміші металу і вуглецю.

Метод електролізу:

Метод електролізу розплавлених середовищ не знаходить промислового застосування і використовується в основному в дослідницькій практиці.

Процес ведуть при силі струму 20 А, напрузі 3 В і температурі 800 °С. В процесі електролізу з карбонатів виділяється вуглець, який, з'єднуючись з металом, утворює відповідний карбід. Осад виділяється на графітовому катоді.

При проведенні електролізу виникають труднощі, обумовлені малою стійкістю карбонатів при високій температурі і низькою розчинністю оксидів карбідоутворювальних металів. Як джерело вуглецю доцільніше використовувати карбонати барії і літію, при електролізі яких виділяється більше вуглецю, чим при електролізі карбонату натрію.

Отримання карбідів осадженням з газової фази:

Цей метод є перспективним для отримання карбідів високого ступеня чистоти у вигляді дрібних частинок, готових виробів, особливо складної конфігурації, монокристалів або щільних покриттів практично на будь-якій підкладці.

Метод осадження карбідів з газової фази заснований на хімічних і фізичних взаємодіях, що виникають при високих температурах і протікають переважно на межах розділу фаз і поблизу поверхні твердого тіла. Стосовно отримання карбідів процес здійснюється по схемі:

MeClx + CnHm + H2 = MeC + HCl + H2

Відповідно до цієї схеми, відновником є водень, а вуглець, що утворюється в результаті розкладання вуглеводня, зв'язує метал, що виділяється унаслідок відновлення пари хлориду металу воднем, в карбід.

Найчастіше як початкові матеріали при отриманні карбідів застосовують хлориди металів, метан і водень. Процес здійснюється в установках, що складаються з наступних основних частин: системи очищення водню; газового блоку; реактора; вакуумної системи; силового блоку і системи контролю температури і інших технологічних параметрів.

На процес осадження карбідів впливають температура процесу, тривалість осадження, концентрація реагуючих речовин, тиск в камері осадження і швидкість потоку газів.

Дифузійні процеси в газовій фазі не забезпечують необхідних швидкостей підведення газоподібних реагентів до поверхні осадження і видалення від неї продуктів реакції. Тому осадження необхідно вести при максимально допустимих швидкостях потоку, що забезпечують рівновагу системи і достатню ефективність процесу.

Метод СВС:

Метод  СВС–  один  з  перспективних

методів  отримання  тугоплавких  сполук.  В  основі  його  лежить  реакція

екзотермічної  взаємодії  двох  або  декількох  хімічних  елементів,  яка  перебігає  в режимі направленого  горіння.  Із хімічного погляду  схема СВС-процесу  отримання  карбідів  аналогічна  схемі  прямого  синтезу  карбідів  з елементів, що проводиться в термічних печах. Для здійснення процесу СВС використовують порошу металів з розміром частинок до 50 мкм і сажі — до 1 мкм. Причому, чим менше розмір початкових частинок, тим повніше і інтенсивніше протікає процес синтезу.

Синтез карбідів відрізняється від інших методів їх отримання відносною простотою технології, що обумовлене простотою технологічного устаткування, високою швидкістю процесу, відсутністю енергетичних витрат на нагрів матеріалу до    температур синтезу. Замість високотемпературних печей використовують прості реактори.

Процес синтезу може здійснюватися як у вакуумі, так і під тиском інертного газу. Після завантаження шихти в реактор і його герметизацію проводять ініціацію шихти (локальний нагрів).

Надалі процес йде мимоволі в режимі горіння за рахунок інтенсивного тепловиділення, яке характерне при отриманні з'єднань, що володіють великою ентальпією освіти.

З трьох основних типів горіння — безгазового, фільтраційного і конденсаційного — для отримання карбідів, в основному, характерне безгазове горіння.

На процес проходження СВС істотно впливає тепловідвід в середовище, що охолоджує.

Kарбіди, отримані методом СВС, характеризуються складами, близькими до стехіометричних,високою пікнометричною щільністю, відносно низьким змістом домішок, що забезпечує їх перспективність як активні порошки для виготовлення різних виробів, порошків для виготовлення абразивних матеріалів.

ОТРИМАННЯ НІТРИДІВ

Азотування металів:

Процес здійснюється під впливом азоту, аміаку або іншого азотовмісного газу на порошу металів або їх гідридів в муфельних прохідних печах при температурі 800—1200°С при безперервній подачі газу.

Як початкові порошки необхідно застосовувати порошу з великою питомою поверхнею.

У основі процесу азотування лежить механізм дифузії азоту в глиб металу з освітою на початкових стадіях твердих

розчинів. Надалі при підвищенні температури процес гетеродифузії переходить в реакційну дифузію з утворенням нітридних фаз. На цьому етапі швидкість утворення нітриду лімітується швидкістю дифузії азоту через

шар нової фази, що утворилася, і швидкістю реакції.При наявності  достатньо  товстого

шару нової нітридної фази  процес дифузії через нього сильно сповільнюється, а в деяких випадках стає майже неможливим. У зв'язку з цим для підвищення рухливості атомів азоту в поверхневих шарах рекомендується підвищувати температуру процесу або зменшувати товщину дифузійного шару, застосовуючи для азотування початкову металеву порошу з частинками меншого розміру.

Перевага методу азотування під тиском полягає в можливості отримання нітриду таких металів, які не взаємодіють з азотом при атмосферному тиску (молібден, вольфрам). При підвищеному тиску область існування нітриду зміщується убік вищих температур, які також роблять позитивний вплив на кінетику процесу азотування.

Для підвищення продуктивності при отриманні порошків нітриду процес можна вести в спеціальних реакторах при температурі 1200°С.

Перевага описаного способу полягає в його безперервності і високій продуктивності.

Метод плазмохімічного синтезу:

Для виробництва нітриду все ширше почав застосовуватися метод плазмохімічного  синтезу. Як початкові речовини при цьому використовуються пороша металів, їх галогеніди, оксиди, які вводять або безпосередньо в зону розряду, або у високотемпературний струмінь плазми поза зоною розряду. При цьому процес синтезу нітриду спрощується, оскільки азот, будучи плазмоутворюючим газом, виступає одночасно в ролі одного з компонентів реакції утворення нітриду. Серед газів, що використовуються як плазмотворні (Аг, Не, Н2, I2, 02), азот володіє найбільшою питомою теплотою згорання в тому інтервалі температур, який підтримують при плазмохімічному синтезі. У цьому ж інтервалі температур основним компонентом азотної плазми є переважно атомарний азот, чим і визначається його висока хімічна активність.

У основі процесу утворення нітриду при плазмохімічному методі синтезу, як і у разі отримання їх іншими методами, лежить дифузія азоту в глиб частинок металу.

Перспективнішим є використання як початкові матеріали галогенідів металів, зокрема хлоридів. При введенні хлоридів в плазмовий струмінь вони розкладаються, утворюючи найдрібніші частинки металів або їх пари. Нітрид утворюється з газової фази при взаємодії пари металу з азотом. В результаті розміри частинок продукту, що утворюються, дорівнюють десяткам нанометрів.

Отримання нітриду відновленням оксидів металів твердим відновником в середовищі азоту. У основі процесу лежить реакція:

МeО + Ме(Х) +N2 = МеN + МеО(ХО),

де Ме — метал-відновник; X — неметалічний відновник (вуглець, кремній, бор).

Найчастіше як відновник використовують вуглець, що приводить, разом з утворенням нітриду, до утворення карбідів відновлюваних металів, які утворюють безперервний ряд твердих розчинів. Тому даний метод застосовують в основному для отримання нітриду технічної чистоти — зазвичай нітриду титану, цирконію, ванадію, ніобію і гафнію.

Отримання нітриду термічною дисоціацією з'єднань:

Процес отримання нітриду можна здійснити в печах опори різного типу, серед яких найширше застосовуються печі періодичної і безперервної (револьверного типу) дії з шаром гранульованої шихти, що віброперемішується. Початкові компоненти (оксид, сажа) піддають змішуванню і при необхідності додатково подрібнюють в кульових млинах. Отриману суміш гранулюють або пресують в пігулки невеликих розмірів, використовуючи як пластифікатор водний розчин полівінилового спирту. Підготовлена таким чином шихта володіє хорошою рухливістю і газопроникністю, що забезпечує повноту протікання реакцій відновлення і азотування, безперервність технологічного процесу.

Отримання нітриду осадженням з газової фази:

Метод має важливе значення у зв'язку з можливістю отримання продукту високого ступеня чистоти в полі- і монокристалічному стані. Як і при отриманні інших з'єднань цим методом, як початкові речовини використовують галогеніди відповідних металів. Процес ведуть за наявності азоту вищого ступеня очищення або аміаку і водню.

Найчастіше нітрид осідає на нагрітій вольфрамовій нитці.

Можливо також отримання нітриду з газової фази у вигляді дисперсних опадів. Так, при отриманні нітриду титану в основі процесу лежить реакція

2TiCl4 + 2NH3 = 2TiN + 6НС1 + С12

яку проводять при температурі понад 1000 °С. Суть технології полягає в подачі заздалегідь нагрітих до 700—900 °С тетрахлориду титана і аміаку в кварцеву реакційну камеру через форсунку, по внутрішньому каналу якої подається тетра-хлорид, а по зовнішньому кільцевому простору — аміак.

Метод СВС:

Перспективним відносно синтезу нітриду з елементів є метод СВС, суть якого була розглянута стосовно отримання карбідів. Апаратурне оформлення процесу отримання нітриду аналогічно отриманню карбідів. Як початкові матеріали використовують, як правило, дисперсну порошу металів і газоподібний азот.

Наявність одного з реагентів в газоподібному стані дозволяє віднести процес синтезу нітриду до фільтраційного горіння.

Одна з найбільш важливих особливостей фільтраційного горіння — наявність двох стадій процесу відповідно до нерівноважної адіабатичної структури хвилі синтезу.

За оптимальних умов проведення СВС нітриду відбувається практично повне перетворення початкових речовин у кінцеві. При цьому кількість матеріалу, що не прореагував, звичайна не перевищує 0,01—0,20 %. Ступінь чистоти отримуваних продуктів визначається ступенем чистоти початкових компонентів, оскільки забруднення в процесі синтезу не відбувається. Основною домішкою в нітриді є кисень, зміст якого в деяких випадках може досягати 0,5 %.

ОТРИМАННЯ БОРИДІВ

Отримання бориду прямим синтезом з елементів:

Синтез проводять, виходячи із забезпечення умов проходження реакції по схемі

Ме + B =  МeВ

яка може здійснюватися як в рідкій фазі шляхом плавлення шихти в дугових або індукційних печах, так і в твердому стані шляхом спікання цієї шихти в печах опору різного типу.

У основі процесу утворення бориду в цьому випадку лежить дифузія бору в метал.

Зручним варіантом методу отримання бориду синтезом з елементів є спікання сумішей гарячим пресуванням, яке дає можливість отримувати борид у вигляді виробів або напівфабрикатів кінцевих щільності і розмірів.

Недолік методу синтезу бориду з елементів полягає в тому, що для отримання чистого бориду необхідно використовувати чисті початкові компоненти, що поки дорого і скрутно, особливе отримання чистого бору. Висока вартість і в деяких випадках дефіцитність початкових матеріалів здорожує і ускладнює виробництво бориду по даному методу, роблячи його нерентабельним.

Метод СВС:

Якоюсь мірою ці недоліки(прямого синтезу) можуть бути усунені при отриманні бориду методом СВС, суть якого була розкрита при розгляді методів отримання карбідів і нітридів. Системи метал — бор належать до типу «безгазових систем горіння», їм властиві закономірності, характерні для даного типу систем. Як і при отриманні карбідів, на отримання бориду методом СВС істотно впливають співвідношення початкових компонентів, розміри частинок металу і бору, щільність брикетів початкової суміші.

Перевага методу СВС в порівнянні з іншими методами прямого синтезу бориду полягає у високій швидкості, простоті процесу, малої енергоємності, можливості проведення синтезу в захисному середовищі. Все це забезпечує високі рентабельність процесу і якість отримуваного продукту.

Металотермічне відновлення:

Отримання бориду металотермічним відновленням застосовується у тому випадку, коли як початкові матеріали застосовують оксиди металів, борний ангідрид, а відновником служать алюміній, магній, кальцій або кремній. Реакція йде по схемі

МeО + В203 + А1(Мg, Са) = МеВ + Al( Са, Mg) 04

Повноту і швидкість проходження процесу оцінюють по величині термічності — відношенню теплового ефекту реакції до суми мас реагуючих речовин (масі шихти).

Недоліком металотермічного відновлення є складність розділення продуктів, можливість утворення бориду металів-відновників.

Відновлення оксидів металів бором з одночасним боруванням:

Процес протікає по реакції

2МеО + 4В = 2МеВ + В202.

Доцільно застосовувати вакуумні печі. Крім того, це дає можливість отримання продуктів високого ступеня чистоти навіть при використанні промислового бору, що містить домішки магнію у вигляді бориду. Під час дисоціації останнього магній, що володіє при температурах процесу високою пружністю пари, випаровується з подальшим видаленням з реакційного простору.

Недоліком методу відновлення оксидів металів бором є відносна складність устаткування і мала продуктивність.

Електроліз розплавлених середовищ:

Отримання бориду електролізом розплавлених середовищ.

Суть процесу полягає в тому, що при електролізі на катоді виділяється елементарний бор, що утворюється в результаті протікання реакції відновлення ангідриду бору лужним металом, що виникає в результаті електролізу.

2O3 + ЗNа → ЗNаВO2 + В.

Разом з цим протікає процес відновлення оксиду тугоплавкого металу і взаємодія відновленого металу з бором, внаслідок чого утворюється борид.

Хімічний склад отримуваного при електролізі бориду можна регулювати, змінюючи склад вмісту ванни.

Метод отримання бориду електролізом відрізняється простотою технології, низькими температурами, доступністю початкових речовин. Проте цим методом важко отримати продукти строго певного складу.

Отримання бориду осадженням з газової фази:

Метод аналогічний методу отримання карбідів і нітриду розкладанням гало-генідів металів на підігрітій підкладці за наявності борвмісних газоподібних речовин. Боровмісними компонентами можуть бути бромід або хлорид бору, які відновлюються по реакції

МеC1х + ВC13 + Н2 = МеB2 + HCl.

Метод осадження бориду з газової фази є вельми перспективним для отримання боридних покриттів, монокристалів, а також виробів складної форми.

Отримання бориду відновленням оксидів металів вуглецем карбіду бору (борокарбідний метод):

Метод є одним з основних промислових методів отримання бориду перехідних металів. У основі цього методу лежать реакції

МеО+ В4С+ С →  МеxВу + СО;

Ме(МеН, МеС) + В4С+ B2О3 →МеB + СО

Технологічна схема промислового отримання бориду включає операції приготування початкових матеріалів і щихти з них, компактування шихти, нагріваючи і подальшу переробку отриманого продукту шляхом помелу і просіву.

Процес отримання бориду можна здійснювати у вакуумних печах з графітовим або металевим нагрівачем або в печах опору з графітовою трубою (печі Таммана) в середовищі водню або конвертованого газу.

У разі проведення процесу у вакуумі відбувається безперервне видалення оксиду вуглецю і зсув рівноваги реакції у бік освіти бориду. Крім того, проведення реакції у вакуумі запобігає азотуванню і окисленню отримуваного бориду.

Із збільшенням тривалості витримки при оптимальних температурах отримання бориду ступінь повноти проходження реакції підвищується і досягає максимуму при тривалості витримки 60 хв.

використанням карбіду бору з розміром частинок 40—80 мкм приводить до утворення продукту заданого складу із змістом вуглецю не більше 0,3 %. Останнє пояснюється підвищенням реакційної здатності карбіду бору при зменшенні розміру.

частинок за рахунок збільшення питомої поверхні і площі контакту з іншими компонентами шихти.

Отримання бориду сумісним відновленням сумішей оксидів металів і борного ангідриду вуглецем (вуглецевий метод):

Метод також є одним з основного при виробництві бориду в промислових масштабах. Він заснований на реакції

МеО+ В2Оз+ С → МеxВу + СО

і відрізняється від борокарбидного тим, що як початкова сировина можуть бути використані дешевші матеріали (оксиди, борний ангідрид).

У промислових умовах процес в основному проводять в печах Таммана з використанням захисного середовища. На склад і влас

На склад отримуваного бориду істотно впливає склад шихти.

Застосування сажі високоактивних марок (ПМ-75) обумовлює отримання бориду заданого складу із змістом вуглецю до 0,3 %.

Окрім перерахованих методів борид можна отримувати також методом плазмохімічного синтезу аналогічно отриманню нітриду і карбідів тугоплавких з'єднань.

ОТРИМАННЯ СИЛІЦИДІВ

Отримання силіцидів прямим синтезом:

Отримання силіцидів прямим синтезом з елементів засноване на протіканні реакції

Me + 2Si → MeSi2

Ця реакція з термодинамічної точки зору проходить легко, оскільки утворення силіцидів супроводжується значним екзотермічним ефектом.

Технологічна схема виробництва силіцидів є традиційною для отримання тугоплавких з'єднань і включає операції підготовки початкових матеріалів, нагріву отриманої шихти і подальшу переробку шляхом дроблення і помелу продукту, що утворився. При отриманні силіцидів прямим синтезом з елементів як початкова сировина використовують порошу відповідних металів або їх гідридів і пороші кремнію. При виготовленні шихти слід враховувати високу летючість кремнію, вводячи відповідний його надлишок залежно від умов синтезу

В процесі синтезу переважає реакційна дифузія, а хімічна реакція, що протікає на межі розділу силіцид — метал, грає в кінетичному відношенні другорядну роль. При цьому спостерігається переважна дифузія кремнію в метал при слабкій участі останнього в процесі. Синтез силіцидів йде через стадії утворення нижчих силіцидів.

Можливо також отримання силіцидів тугоплавких металів синтезом з елементів шляхом спікання початкової шихти гарячим пресуванням в графітових прес-формах. При цьому протікають наступні процеси:  дифузійне утворення силіцидних фаз;  випаровування і випаровування кремнію через пори графітової прес-форми;  вуглецювання початкових матеріалів і продуктів, що утворюються, вуглецем прес-форми.

Закономірності протікання першого процесу аналогічні викладеним вище для отримання силіцидів в печах опору.

Метод СВС:

Для  отримання  силіцидів  металів  синтезом  з  елементів  також  можна

використовувати  метод СВС.  У цьому  разі  процес  відбувається  за  типом безгазового  горіння,  характерного  для  отримання  карбідів  і  боридів. Проте  багатофазність  силіцидів,  вузькі  зони  їх  гомогенності  зумовлюють  складність  синтезу  однофазних  силіцидів.  Для  горіння  в  таких  системах  характерна  хімічна  стадійність  перетворення  речовин  і  щоб  отримати  однофазні  продукти,  треба  забезпечити  повний  перебіг  кожної  стадії.  Наприклад,  у  системі  Мо— Si  утворення  МоSi2 проходить  через стадії

Мо →Mo3Si →Mo5Si3 →MoSi2

Тому  для  отримання  однофазного  дисиліциду  молібдену  слід  забезпечити  повноту  проходження  першої  і  другої  стадій.  У  зв’язку  з  цим  синтез  силіцидів  повинен  мати  нерівноважну  адіабатичну  структуру  хвилі синтезу, тобто зони горіння і догоряння.

Отримання  силіцидів  відновленням  з  оксидів  з  одночасним  силіціюванням:

Цей  метод  отримання  силіцидів  металів  має  декілька  варіантів:

1) відновлення оксидів металів силіцієм;

2) сумісне відновлення оксидів металів і силіцію вуглецем;

3) відновлення оксидів металів карбідом силіцію;

4)  сумісне  відновлення  оксиду  силіцію,  силікатів  з  оксидами  металів вуглецем.

Отримання силіцидів сумісним відновленням оксидів металів вуглецем або карбідом кремнію відбувається при вищій температурі. Так, наприклад, рівноважна температура реакції

МеО+ 3Si → МеSi2 + SiO;

МеО+ 2SiO2 + 5С → МеSi2 + 5СО.

Оскільки  в  процесі  утворення  силіцидів  виділяються  газоподібні  продукти,  дуже  важливого значення  набуває  газопроникність  шихти  й  одержуваних  продуктів. Чисті  дисиліциди  майже  стехіометричного  складу  можна  одержувати, застосовуючи  вакуумні  печі  з  вольфрамовими  нагрівниками  і  тиглі  зплавленого Al2O3.

Отримання силіцидів синтезом з розчинів в металевих розплавах:

Отримання силіцидів синтезом з розчинів в металевих розплавах. Суть методу полягає в тому, що реакція утворення силіцидів з простих речовин протікає в допоміжній металевій ванні з подальшим виділенням отриманого продукту хімічним шляхом. Метод характеризується порівняно низькими температурами процесу  і простотою.

Цей метод отримання силіцидів можна успішно застосовувати для вирощування відповідних монокристалів.

Отримання силіцидів осадженням з газової фази:

Метод аналогічний отриманню карбідів з газової фази. Силіциди по цьому методу отримують відновленням галогенідів кремнію воднем над порошком відповідного металу або нагрітою підкладкою. Зазвичай як початковий галогенід використовують тетрахлорид кремнію SiCl4:

Ме+ 2SiCl4+ 4Н2 → МеSi2+ 8НС1.

Можливо також сумісне відновлення сумішей галогенідів металу і кремнію з подальшим їх осадженням на нагріту підкладку.

Механізм  утворення  силіцидів  має  дифузійний  характер.  При  цьому силіциди  утворюються  у  напрямі  збагачення  нижчих  силіцидів  силіцієм.

Так,  наприклад,  процес  утворення  дисиліциду  титану  можна  подати схемою

Ti5Si3 →Ti5Si4 →TiSi →TiSi2 →Si(Ti).

Метод  отримання  силіцидів  осадженням  з  газової  фази  має  практичне значення  для  отримання захисних  покриттів, особливо  з  дисиліцидів молібдену  і  вольфраму,  що  має  високу  жаростійкість  і  хімічну  стійкість  до агресивних середовищ.

Отримання силіцидів електролізом розплавлених середовищ:

Отримання  силіцидів  електролізом  розплавлених  середовищ.  Силіциди  тугоплавких  металів  можна  одержувати  електролізом  розплавлених  середовищ  аналогічно  отриманню  інших  тугоплавких  сполук.  Для цього  використовують  розплави  фторсилікатів  калію  або  натрію  і  оксиди  або  солі  металевого  компонента.  Для  отримання  дисиліцидів  титану,

цирконію  і  хрому  використовують  розплави  силікатів  у  суміші  з  оксидами тугоплавких лужних металів. Силіциди виділяються на катоді у вигляді правильних кристалів. Метод промислового значення не має.

  1.  Хімічні властивості порошків. Їх залежність від різних чинників

Властивості  порошків  розподіляють  на  три  основні  групи:  хімічні,  фізичні,  технологічні. Їх хімічні властивості – це передусім хімічний склад та вміст домішок.

Характеристикою  хімічного  складу  порошків  є  вміст  основного  компонента в однокомпонентних порошках та вміст основного компонента і легувальних  елементів  у  порошку  сплавів.  Залежно  від  умісту  основного  компонента  розрізняють  особливо  чисті,  чисті  і  технічно  чисті  порошки,  вміст  основного  компонента  у  яких  відповідно 99,99; 99,5  і 98,0…99,0 %.

Хімічний  склад  порошків  перш  за  все  залежить  від  методів  їх  отримання.  Найчистіші  порошки  з  високим  умістом  основного  компонента можна  отримати  методами,  в  процесі  яких  відбувається  рафінування  вихідної сировини, чи під час використання його в чистому  вигляді. Це карбонільний  метод,  електроліз  водних  розчинів  солей  металів,  відновлення  чистих  оксидів  воднем.  Більшість  методів  дозволяє  отримати  чисті

або  технічно  чисті  порошки,  тобто  такі,  що  містять  домішки.  Вид  і  кількість  домішок  визначають  методом  отримання,  а  також  за  чистотою  використовуваної  сировини.  Домішки,  які  вносяться  в  порошок  під час  його  отримання,  передусім  обумовлені  видом  відновника.  Так,  для  відновлення  оксидів  вуглецем  чи  газами,  що  містять  вуглець,  основною  домішкою  є  вуглець.  У  порошку  він  може  мати  вільний  чи  зв’язаний  вигляд. Однак  найчастіше  основна  домішка –  кисень,  вміст  якого  в  порошку

може  сягати1,5 %.  Об’єктивно  домішки  кисню  обумовлені  наявністю  в порошку  оксидів  чи  твердих  розчинів,  які  в  певних  умовах  не  відновлюються.  Воднем  не  відновлюються  оксиди TiO2, Al2O3, MnO, Cr2O3, SiO2 і  т.ін.  Суб’єктивно  домішки  кисню  обумовлені  застосуванням  технологічних  режимів  і  умов,  що  не  забезпечують  повного  відновлення  в умовах  скорочення  часу  відновлення,  недостатнього  газопроникнення

шихти,  взаємодії  отриманого  продукту  з  киснем  повітря  в  процесі  його подальшої  переробки  та  ін.  Крім  того,  підвищення  вмісту  кисню  може зумовлюватись зберіганням порошків у відкритій тарі. Чим вища питома поверхня  порошків,  їх  активність,  час  контакту  з  навколишнім  середовищем, тим більший вміст кисню.

Наявність  кисню  у  вигляді  ізольованих  частинок  оксидів  чи  прошарків на поверхні частинок основного компонента утруднює процес пресування,  підвищує  зношення  прес-форм  через  високу  твердість  оксидів.

Вплив  домішок  оксидів  на  процес  спікання  не  однозначний.  Наявність важковідновлюваних  оксидів  ускладнює  процес  спікання,  в  той  час,  як наявність  оксидів,  що  легко  відновлюються,  інколи  сприяє  йому.  Вміст основного  металу  і  домішок  в  порошку  визначають  традиційними  методами хімічного аналізу чи іншими прецизійними методами. Вміст кисню у  вигляді  оксидів  легковідновлюваних  металів  основи  можна  визначати в  лабораторних  чи  виробничих  умовах  відновлюванням наважки  порошку  гостроосушуваним  воднем.  Під  час  відновлення  маса  наважки  зменшується,  а  пари  водню  поглинаються  фосфорним  ангідридом P2O5,  силікагелем  та  іншим  активним  поглиначем.  Вміст  кисню  у  порошку  визначають за втратою маси проби, якщо масова частка вуглецю в порошку не перевищує0,05%.  Якщо  вміст  вуглецю  більший  від  цього  значення,  необхідно враховувати його участь у відновленні оксидів.

  1.  Загальна характеристика ізостатичних методів формування порошкових виробів

         Суть ізостатичного пресування полягає у тому, що порошок завантажується в еластичну оболонку (гумову, пластмасову, металеву) і поміщається в камеру спеціального пристрою з рідиною або газом, де і піддається дії тиском. При цьому згідно закону Паскаля, тиск, прикладений до рідини, повністю і рівномірно передаватиметься перпендикулярно до будь-якої точки поверхні оболонки. Еластична оболонка забезпечує рівномірне стиснення порошку. В результаті виходить пресовка менших розмірів, але за формою подібна первинній формі оболонки.

           При використанні рідин використовуються терміни "гідростатичне пресування", а при використанні газів - "газостатичне пресування". Різні терміни використовуються також залежно від температурного режиму пресування. Якщо пресування проводять при кімнатній температурі, то процес називається "холодне ізостатичне пресування" (ХІП), а при підвищеній - "гаряче ізостатичне пресування" (ГІП).

Гідростатичне пресування

          Цей вид пресування в основному відноситься до холодного ізостатичного  пресування, схема якого показана на рис. 33.

Процес пресування можна здійснювати за методом "мокрого" і "сухого" чохла (еластичної оболонки).

          У разі пресування за методом мокрого чохла порошок засипають в еластичну оболонку, виконану за формою деталі, що виготовляється, герметизується і поміщається в робочу камеру установки (рис.33).

1 – герметизуюча кришка; 2 – еластична оболонка корпус; 3 – манометр;

4 – порошок, який ущільнюється; 5 – корпус камери високого тиску; 6 – насос

Рисунок 33 - Схема установки для гідростатичного пресування

за методом "мокрого" чохла

          Після завантаження оболонки в робочу камеру остання закривається затвором і в неї закачується рідина. У міру закачування рідини тиск в робочій камері підвищується і порошок пресується. Тиск пресування залежить від виду матеріалу, який ущільнюється і може складати 100...600 МПа і більше. Досягши заданого тиску робиться витримка для забезпечення повної рівноваги тиску в рідині і пресованій заготівці. Після витримки рідину підбурюють з робочої камери, що призводить до поступового зниження тиску до нуля. Після цього затвор відкривається і витягується пресовка. Тривалість циклу пресування залежить від розміру робочої камери, продуктивності компресора, тиску пресування і може складати від 5 до 60 хв.

         Гідростатичне пресування за методом "мокрого чохла" є найпоширенішим методом ізостатичного пресування.

         При пресуванні за методом "сухого" чохла (на відміну від методу "мокрого" чохла) еластична оболонка залишається в ємкості високого тиску протягом всього циклу пресування. Схема установки для пресування за методом "сухого" чохла показана на рис.34.              У такій установці рідина в камері високого тиску ізолюється від робочої зони. У зв'язку з цим через необхідність ізоляції рідини від робочої зони, а також унаслідок використання відкритого з одного кінця інструменту, такий процес гідростатичного пресування є не строго ізостатичним.

            Завантаження і вивантаження при пресуванні за методом "сухого" чохла відбувається через верхню частину ємкості. Одна з головних переваг такого методу полягає в порівняно простій  автоматизації і тим самим вищій продуктивності.

1 – система управління заглушкою;

2 – заглушка піднята;

3 – заглушка опущена;

4 – верхній пуансон;

5 – манжета для герметизації рідини;

6 – встановлений в контейнер чохол;

7 – ємність високого тиску;

8 – отвір для впускання рідини;

9 – нижній пуансон

 

Рисунок 34 – Схема установки для пресування за методом

"сухого" чохла

          Один з варіантів ХІП - ущільнення в товстостінних еластичних оболонках. Відповідно до цього методу порошок поміщається в еластичну оболонку і надалі ущільнюється в металевій прес-формі  по одному з варіантів статичного пресування. В цьому випадку товстостінна оболонка рівномірно передає тиск середовища подібно рідині. У зв'язку з цим до матеріалу оболонки пред'являються спеціальні вимоги, одним з яких є значення коефіцієнта Пуассона, рівне 0,5 (в цьому випадку коефіцієнт бічного тиску  ). Крім того, матеріал повинен мати велику межу міцності на розтягування, достатню жорсткість, визначену пружність, що забезпечує повернення оболонки в первинне положення після зняття тиску. Оболонка також повинна не склеюватися і не схоплюватися з порошком, бути довговічною і дешевою, придатною для багатократного використання.

            Ущільнення порошків методом ГІП найчастіше застосовують при отриманні заготівок або виробів з формою, близькою до кінцевої з порошків жароміцних, інструментальних сплавів, а також титану. В цьому випадку вихідний порошок поміщається в металеву оболонку (найчастіше з вуглецевої або нержавійної  сталі), яку дегазують вакуумуванням і герметизують. Підготовлену таким чином оболонку з порошком піддають ущільненню ГІП при тиску 100…200 МПа і температурі до 1260 0С. Одержувані вироби мають практично 100% густину не маючи фазової сегрегації, а також володіють підвищеними механічними властивостями. Зменшення втрат на тертя, а також рівний тиск на всіх напрямках при ізостатичному пресуванні в товстостінних оболонках дозволяє понизити тиск пресування для отримання однакової густини в порівнянні з пресуванням в жорсткій матриці на 30-50% для пластичних матеріалів і на 10-20% для крихких матеріалів.

               При пресуванні виробів в еластичних оболонках для зменшення тертя між гумою і стінками металевої матриці зовнішню поверхню оболонок необхідно змастити. З цією метою застосовують гліцерин або машинне мастило.

           Головна особливість ізостатичного пресування, особливо гідростатичного - відсутність зовнішнього тертя, оскільки частинки порошку переміщаються при ущільненні не уздовж стінок матриці, а в основному разом з нею від периферії до центру заготівки. При цьому незалежно від форми виробу досягається рівномірний розподіл густини в ньому.

Газостатичне пресування

           Як було відмічено, один з варіантів ізостатичного пресування - гаряче ізостатичне пресування (ГІЛ), яке іноді ще називають газостатичним пресуванням. Схема такого пресування показана на рис.44. Суть методу полягає у тому, що порошок в оболонці або у вигляді заготівки (пресовки) з відносною щільністю 80% і більше розміщують в камері високого тиску, де створюють тиск газу 200 МПа і температуру від 500 до 2200 °С.                 Ущільнення порошків методом ГІП найчастіше застосовують при отриманні заготівок або виробів з формою, близькою до кінцевої з порошків жароміцних, інструментальних сплавів, а також титану. В цьому випадку вихідний порошок поміщається в металеву оболонку (найчастіше з вуглецевої або нержавійної  сталі), яку дегазують вакуумуванням і герметизують. Підготовлену таким чином оболонку з порошком піддають ущільненню ГІП при тиску 100…200 МПа і температурі до 1260 0С. Одержувані вироби мають практично 100% густину не маючи фазової сегрегації, а також володіють підвищеними механічними властивостями.

1 - підйомник затвора;

2 - пекти;

3 - система індукційної конвекції;

4 - охолоджуваний кожух;

5 - система примусової конвекції;

6 - система газозабезпечення;

7 - система вакуумування;

8 - система електропостачання

Рисунок 44 - Схема установки для гарячого ізостатичного (газостатичного) пресування

           Після ГІП оболонку видаляють хімічним травленням або токарною обробкою.В основі процесу ущільнення при ГІП лежить пластичний перебіг матеріалу під дією сил поверхневого натягнення і сил, прикладених ззовні (тиск газу).

4. Дія механізмів поверхневої дифузії та перенесення через газову фазу при спіканні порошкових виробів

При високих температурах спікання основну роль грає об'ємна самодифузія. Однак при більш низьких температурах і нерівноважному стані приповерхневого шару значно зростає роль поверхневої самодифузії.

Я.Е. Гегузін відносну роль поверхневої самодифузії характеризує безрозмірним критерієм:

                                                                                                             

де: DS - коефіцієнт поверхневої самодифузії;

     DO - коефіцієнт об'ємної самодифузії;

     l - характеристичний лінійний розмір.

Для випадку припікання часток l = ρ

     ρ - радіус кривизни приконтактної області.

Коефіцієнт об'ємної самодифузії залежить від температури значно сильніше, ніж DS, тому роль поверхневої самодифузії тим більше, чим нижче температура і менше ρ, тобто на самих ранніх стадіях спікання.

Відносна роль переносу через газову фазу характеризується критерієм:

                                                                                

де: Ро - пружність пари;

     DГ - коефіцієнт дифузії атомів металу в газовій фазі.

Якщо γ і γ' більше одиниці, роль поверхневої самодифузії чи переносу через газову фазу стає визначальною.

 Для того, щоб інтенсифікувати поверхневий перенос речовини при спіканні, необхідно підвищити ефективні значення коефіцієнта поверхневої самодифузії і пружність парів металу. Це може бути досягнуто або завдяки циклічної гетерогенної реакції (окислювання - відновлення), або введенням активного газового реагенту, що утворить з металом летучі речовини (галогеніди). У першому випадку на поверхні створюється шар металу з нерівноважною спотвореною кристалічною решіткою.

Відомо, що поверхнева самодифузія здійснюється не тільки чисто поверхневою міграцією атомів, а для реальних кристалів включає дифузію в тонкому спотвореному приповерхневому шарі. Якщо для майже рівноважних об'єктів товщина цього шару оцінюється в декілька міжатомних відстаней ( ~ 10-7 см), то циклічне окислювання–відновлення може збільшити товщину розпушеного шару до ~ 10-5 см і більше.

Таким чином, ефективний потік поверхневої дифузії буде збільшений на 2-3 порядки, що сильно інтенсифікує процес утворення і росту міжчасткових металевих контактів, сферидизацію пор і інші позитивні, з погляду одержання високих кінцевих властивостей, процеси.

При введенні в газове середовище спікання галогенидів утворюються летючі сполуки галогенів з металом, що спікається. Пружність пари утворених галогенидів відіграє роль рівноважної пружності пари металу, тому що газова фаза знаходиться в стані динамичної рівноваги з твердою фазою, тому процеси переносу через газову фазу сильно активуються.

Активація процесів поверхневого переносу речовини мало впливає на швидкість об'ємної деформації часток і тому практично не інтенсифікує процеси ущільнення, а тільки прискорює початок їхнього проходження.

5. Високопористі порошкові вироби. Загальна технологічна схема їх виготовлення

Проникні матеріали, що отримуються методами порошкової металургії, знаходять широке застосування в техніці як фільтри, диспергатори, демпфери, пламегасящих, елементи машин і механізмів, що охолоджують. Це пояснюється тим, що методи порошкової металургії дозволяють отримувати високопористі матеріали з складним поєднанням властивостей, які іншими методами отримати неможливо.

По застосуванню високопористі матеріали розділяють на на-ступні групи:

1. фільтри для очищення повітря, газів, рідин і розплавлених середовищ;

2. матеріали для зняття теплового навантаження з деталей і механізмів за рахунок теплового потоку через пори охолоджувача (потіючі матеріали і теплові труби);

3. електроди, каталізатори, катоди;

4. матеріали для рівномірного розподілу рідин і газів;

5. матеріали ущільнювачів;

6. вібро- і звукопоглинальні матеріали.

Фільтри знаходять найбільш широке застосування. Вони служать для фільтрування води, різних масел, мастил, розчинників, рідких і газоподібних палив, рідких газів в криогенній техніці, продуктів бродіння, в хімічній промисловості, ядерній енергетиці і т.п.

Проникність (продуктивність) фільтрів визначається кількістю газу, що протікає через фільтр, або рідини, подаються під певним тиском. Розрахунок ведуть по формулі

 

де V — кількість витісненої рідини, м3; F — площа фільтру, м2; — тривалість фільтрування, хв.

Швидкість фільтрування визначають по рівнянню Дарсі:

β- проникність по Дарсі, Дс (Дс — одиниця проникності, рівна 1,02•10-6 мм2); Рвх і Рвих— відповідно тиск на вході і виході пористого зразка, Мпа;  η — динамічна в'язкість рідини, Па•с; b — товщина зразка, мм.

Значення коефіцієнта проникності виражають в дарсі. Одним дарсі є проникність пористого матеріалу, в якому перепад тиску 0,1 Мпа забезпечує швидкість рідини 1 см/с при в'язкості 10-3 Па•с через куб з довжиною ребра 1см.

Важливою перевагою порошкових фільтрів є їх висока міцність, що дозволяє створювати високі перепади тиску при фільтруванні. Так, наприклад, порошкові фільтри з бронзи завтовшки 5 мм витримують навантаження до 18, а з неіржавіючої сталі — до 50 Мпа]

До переваг порошкових фільтрів слід віднести значний термін служби, який перевищує термін служби інших відомих фільтрів. Це пояснюється тим, що вони порівняно легко піддаються регенерації, тобто очищенню від твердих частинок, що затримуються в каналах пір і що знижують тим самим робочі параметри. Крім того, при роботі в умовах вібрації, наприклад в двигунах автомобіля, може відбуватися самоочищення фільтрів за рахунок видалення твердих частинок з його поверхні.

Друга група високопористих матеріалів застосовується для зняття теплових навантажень з високотемпературних вузлів і деталей. Зняття теплового навантаження досягається охолоджуванням за рахунок акумуляції теплоти охолоджувачем, що проходить через пори. Такий метод охолоджування називають пористим, а матеріали — що потіють. Суть методу полягає в наступному: поверхню, що піддається нагріву, покривають високопористим матеріалом, а в пори подають рідину, що охолоджує, або газ. На поверхні пористої стінки утворюється плівка рідини або газу, яка істотно знижує температуру стінки за рахунок витрат теплоти на випаровування і можливу дисоціацію молекул газу. Іншим методом зняття теплового навантаження за допомогою матеріалів цієї групи є застосування теплових труб, в яких використовується ефект капілярного руху рідини. Рух рідини через пори вставки теплової труби дозволяє створювати потоки теплоти потужністю до 150 Вт/см2, що в тисячу разів перевищує теплопровідність міді. 

Ефект потіючих матеріалів використовується також для запобігання обмерзанню літаків, де підігріте повітря або рідини (антифриз), що випаровуються, циркулюють в пористих матеріалах, розташованих на кромках крил.

Третя група високопористих матеріалів — це носії каталізаторів і електроди, що застосовуються в електрохімічних процесах, катоди електронних пристроїв. При деяких електрохімічних процесах на катоді з великим перенапруженням виділяється водень, що приводить при високій щільності струму до підвищеної витрати електроенергії. Величина перенапруження  залежить від площі електроду. Застосування пористих електродів з високодисперсного порошку заліза ефективно знижує перенапруження. Ефективність роботи акумуляторів і паливних елементів істотно залежить від площі поверхні електродів При використанні електродів з пористістю, що досягає 70-90 %, вдається зменшити габарити акумуляторів і витрату металу. Високопористі матеріали також застосовуються як носії каталізаторів. Наприклад, в камерах згорання газотурбінних двигунів застосовують пористі матеріали, що містять каталізатори, - оксид цирконію (IV), оксид кальцію з добавками нікелю, платини і титану. При отриманні конвертованого газу застосовують пористий шамот, в порах якого міститься нікель, що надає каталітичну дію на процес розкладання природного газу. Високопористі тугоплавкі метали використовуються як катоди електронних ламп.

Четверта група високопористих матеріалів — матеріали, використовувані для рівномірного (за площею) підведення газу або рідини при проведенні реакцій в киплячому шарі, змішуванні газів і рідин і ін. Застосуванням пористих жолобів при транспортуванні цементу за допомогою повітря досягають швидкості його руху до 1 м/с при витраті повітря 1,5—3 м3/(м2-мин) і перепаді тиску 26,6 кПа. Міжелектродні вставки плазмотронів, через яких подається плазмотворний газ, виготовлені з високопористих матеріалів, дозволяють істотно підвищити стабільність плазмового струменя.

При застосуванні високопористих матеріалів як ущільнювачі використовуються їх високі пластичність прироблюваність. Такі матеріали на основі заліза використовуються як ущільнювачі при герметизації стиків труб, муфт і фланців. Для цієї мети використовують також пористе залізо, просочене бітумом (зинтерит). Такий матеріал отримують спіканням вільно насипаних грубозернистих порошків при температурі 1200— 1300 °С і просоченням бітумами для підвищення корозійної стійкості.

Розширюється застосування високопористих матеріалів для звукоізоляції і вібропоглинання в літаках, ракетах, в будівництві.

Виготовлення

Для виготовлення порошкових проникних матеріалів використовують порошу, отримувані методом обкатки в кульових або вихрових млинах, відновленням з оксидів, хімічним осадженням, термічною дисоціацією, розпилюванням водою або газом, плазмовою технологією, випаровуванням рідкого струменя металу імпульсним опромінюванням променем лазера.




1. Лабораторная работа- Структуры и алгоритмы обработки данных
2. СУЩНОСТЬ4 2.ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ БЕЗРАБОТИЦЫ9 2
3. РЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата філософських наук Донецьк ~
4. во частей- 3 Статус- закончен Описание-Всего лишь три коротких красивых и романтичных истории разных жанро
5. е изд Перераб И доп
6. маршрут свой как то появился без разницы зима весна он нам всегда годился Гуляли мы и в снег и в дождь
7. Греческая колонизация Боспора Киммерийского
8. по теме Разнообразный мир русской народной песни Першина Татьяна Львовна учитель начальных классов
9. Знания играют ключевую роль в обществе
10. Статья 1 Общие положения
11. Ave Maria Шуберта
12. Реферат- Технология производства циклогексанона дегидрированием циклогексанола
13. по теме Принципы управления развитием нового продукта на предприятии Введение
14. Реферат- Общение мужчины и женщины
15. ой Советской ул угол с Греческим пр
16. История географических открытий
17. Work in the US South Croline ~ Myrtle bech 6 When will you come bck to Russi B
18. Принцип комплексности в изучении государственноправовых явлений означает рассмотрение государственн
19. Государственное пенсионное страхование в России зародилось в начале двадцатого века что было горазд
20. Конверсия производства на примере АО Казахтелеком