Главная Коллекция "Otherreferats" Производство и технологии Технология изготовления, свойства и применение пористых изделий фильтрового назначения из порошков титана

Технология изготовления, свойства и применение пористых изделий фильтрового назначения из порошков титана

Характеристика основ технологии получения металлических порошков. Изучение строения вибрационной мельницы. Рассмотрение особенностей электролитического метода. Главные аспекты изготовления порошковых изделий. Анализ производителей титановых фильтров.

Рубрика Производство и технологии
Вид реферат
Язык русский
Дата добавления 16.12.2014
Размер файла 2,8 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования Российской Федерации

МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского

Реферат на тему: «Технология изготовления, свойства и применение пористых изделий фильтрового назначения из порошков титана»

Студент гр. ПКП-124

Романов А.В.

Руководитель

Серов М.М.

Москва 2013 г.

1. Порошковая металлургия

Порошковая металлургия -- технология получения металлических порошков и изготовления изделий из них (или их композиций с неметаллическими порошками). В общем виде технологический процесс порошковой металлургии состоит из четырёх основных этапов: производство порошков, смешивание порошков, уплотнение (прессование, брикетирование) и спекание.

Применяется как экономически выгодная замена механической обработки при массовом производстве. Технология позволяет получить высокоточные изделия. Также применяется для достижения особых свойств или заданных характеристик, которые невозможно получить каким-либо другим методом.

История и возможности

Порошковая металлургия существовала в Египте в III веке до н. э. Древние инки из драгоценных металлических порошков делали украшения и другие артефакты. Массовое производство изделий порошковой металлургии начинается с середины 19-го века.

Порошковая металлургия развивалась и позволила получить новые материалы -- псевдосплавы из несплавляемых литьём компонентов с управляемыми характеристиками: механическими, магнитными, и др.

Изделия порошковой металлургии сегодня используется в широком спектре отраслей, от автомобильной и аэрокосмической промышленности до электроинструментов и бытовой техники. Технология продолжает развиваться

Получение металлических порошков

Существует несколько способов получения металлических порошков. Физические, химические и технологические свойства порошков, форма частиц зависит от способа их производства. Вот основные промышленные способы изготовления металлических порошков:

Механическое измельчение металлов в вихревых, вибрационных и шаровых мельницах.

металлический титановый фильтр

Рис. 1 Схема вибрационной мельницы

Распыление расплавов (жидких металлов) сжатым воздухом имели в среде инертных газов. Метод появился в 1960-х годах. Его достоинства -- возможность эффективной очистки расплава от многих примесей, высокая производительность и экономичность процесса.

Восстановление руды или окалины. Наиболее экономичный метод. Почти половину всего порошка железа получают восстановлением руды.

Восстановление оксидов и солей является одним из наиболее распространенных и экономичных способов, особенно когда в качестве исходного материала используют руды, отходы металлургического производства (окалина) и другие дешевые виды сырья. Восстановлением в техническом смысле этого слова, называют процесс получения металла из его химического соединения путем отнятия неметаллической составляющей (кислород, солевой остаток) при помощи вещества, называемого восстановителем. Процесс восстановления является одновременно и процессом окисления. Если исходное химическое соединение (оксид, соль) теряет неметаллическую составляющую или восстанавливается, то восстановитель вступает с ней во взаимодействие или окисляется.

В общем случае реакцию восстановления можно записать в виде

МеБ + Х - Ме + ХБ,

Где Ме - любой металл, порошок которого нужно получить;

Б - неметаллическая составляющая (кислород, солевой остаток и др.)восстанавливаемого исходного химического соединения;

Х - восстановитель;

ХБ - химическое соединение восстановителя.

Стрелки означают, что в ходе реакции возможно повторное образование исходного соединения (МеБ) в результате взаимодействия полученного металла (Ме) и соединения восстановителя (ХБ). Для оценки возможности протекания реакции восстановления необходимо сопоставить величины, характеризующие прочность химических связей в соединении металла (МеБ) и образующимся соединении восстановителя (ХБ). Количественной мерой указанных величин служит величина свободной энергии, высвобождающейся при образовании соответствующего химического соединения. Чем больше высвобождается энергии, тем прочнее химическое соединение. Поэтому реакция восстановления возможна лишь в случае, если при образовании соединения восстановителя (ХБ) выделяется энергии больше, чем при образовании соединения металла (МеБ).

Восстановителем может быть только то вещество, которое обладает большим химическим сродством к неметаллической составляющей восстанавливаемого соединения, чем получаемый металл. В порошковой металлургии в качестве восстановителя наиболее распространены:

- водород;

- оксид углерода (СО);

- конвертируемый природный газ;

- диссоциированный аммиак;

- эндотермический газ (эндогаз);

- твердый углерод (кокс, уголь, сажа);

- металлы.

Водород является одним из самых активных газов-восстановителей. В природе в свободном состоянии водород почти не встречается, и поэтому большое значение приобретают рациональные способы его промышленного производства. Практическое значение получили так называемый железо-паровой способ производства водорода и электролиз воды.

В железо-паровом процессе водород получают при обработке раскаленного (около 800 єС) железа водяным паром по реакциям

Fe + H2O = FeO + H2

3FeO + H2O = Fe 3 O 4 + H 2

Получаемый газ содержит до 98% водорода и имеет достаточно высокую стоимость, что ограничивает его применение в порошковой металлургии.

При получении водорода электролизом воды в качестве электролита используются водные растворы щелочей (NaOH, KOH) или кислот (H 2 SO 4), так как чистая вода плохо пропускает электрический ток. При пропускании постоянного тока через такие растворы происходит разложение воды на ионы водорода (H +) и ионы гидроксила (OH -) по схеме

H 2 O > H + + OH

Ионы водорода перемещаются к катоду, где отдают свой заряд, превращаясь в атомы водорода. В результате на катоде выделяется газообразный водород. Ионы гидроксила отдают свой заряд на аноде, в результате чего на аноде образуется вода и кислород. Получаемый таким способом газ содержит не менее 99,8% водорода.

Применение водорода для целей восстановления сравнительно ограниченно из-за высокой его стоимости. Кроме того, необходимо помнить о взрывоопасности водорода и строго соблюдать при работе с ним правила техники безопасности. Водородным восстановлением получают порошки вольфрама, молибдена, кобальта, железа, никеля и некоторых других сплавов.

Оксид углерода обычно получают газификацией малосернистого кокса или древесного угля с применением кислородного дутья по реакциям

C + O 2 = CO 2

CO 2 + C = 2CO

Образующийся оксид углерода (СО) очищается от пыли, сернистых соединений, углекислоты, влаги и после очистки содержит не менее 92% СО. Стоимость получаемого оксида углерода высока, поэтому для производства металлических порошков восстановлением его практически не применяют. Конверторный природный газ. Природный газ содержит 93 - 98% метана(CH 4). Процесс конверсии заключается во взаимодействии метана с паром при температуре 900 - 1100 єС и в присутствии катализатора по реакции

CH 4 + H 2 O = 3H 2 + CO

Получаемый в промышленных печах конвертируемый газ содержит 75 -76% H 2 , 22 - 23% СО. Он в 8 - 10 раз дешевле водорода и в зависимости от его качества применяется для восстановления оксидов при производстве железного порошка, порошков среднеуглеродистых и легированных сталей, железоникелевых, железовольфрамовых и других сплавов.

Диссоциированный аммиак является дешевым и хорошим заменителем водорода. Разложение аммиака осуществляют в специальных реакторах (диссоциаторах) при температуре 600 - 650 єС. Диссоциированный аммиак содержит 75% H 2 и 25% N 2 и применяется в качестве восстановителя при производстве порошков кобальта, железа, никеля, вольфрама.

Эндотермический газ получают в результате сжигания природного газа или другого углеводородного газа при существенном недостатке воздуха с подводом тепла извне. Эндотермический газ (эндогаз) в последнее время находит широкое применение в порошковой металлургии, хотя обладает меньшей восстановительной способностью по сравнению с водородом. Это объясняется тем, что он более чем в десять раз дешевле водорода и менее взрывоопасен.

Процесс неполного сжигания природного газа ведут при недостатке воздуха в две стадии. На первой стадии кислород взаимодействует с метаном по реакции

CH 2 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O

На второй стадии процесса избыточный метан реагирует с образовавшимся CO 2 и H 2 O по реакциям

CH 4 + CO 2 = 2CO + 2H 2

CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2

Суммарный тепловой эффект реакций первой и второй стадий отрицательный, в связи с чем для поддержания процесса необходим дополнительный подвод тепла извне. Эндогаз, получаемый из природного газа, содержит 18 - 20% СО, 38 - 40% H 2 , около 1% CO, остальное N 2 . С применением эндогаза получают порошки железа и среднеуглеродистых сталей.

Твердый углерод при получении порошков восстановлением используется в виде кокса, древесного угля, сажи. Указанные материалы является сильными восстановителями, так как содержат 93 - 98% углерода. Существенным недостатком этих материалов, используемых в качестве восстановителей, является то, что они содержат нежелательные примеси (сера, зола, влага), переходящие в порошок и ухудшающие его свойства.

Металлотермический. Процесс восстановления химического соединения металлом называют металлотермическим, основанным на большом сродстве металла-восстановителя к кислороду или другому неметаллическому элементу соединения, чем восстанавливаемый металл. Высоким сродством к кислороду обладают кальций, магний, алюминий, натрий, калий, цирконий и бериллий. На практике для осуществления металлотермических реакций восстановления используют в основном кальций, магний, алюминий, натрий.

К металлам-восстановителям предъявляются требования, чтобы они не образовывали с получаемым металлом, сплавов и других соединений. Избыток восстановителя, а также побочные продукты реакции должны полностью отделяться от восстановленного металла.

Металлотермическим восстановлением получают порошки титана, тантала, ниобия, легированных сталей.

Электролитический метод.

Среди физико-химических методов получения металлических порошков электролитический способ по промышленному распространению занимает второе место после восстановления.

Получение порошков электролизом заключается в разложении водных растворов соединений выделяемого металла или его расплавленных солей при пропускании через них постоянного электрического тока и последующей разрядке соответствующих ионов металла на катоде.

При электролизе передача электричества в электролите, представляющем собой раствор солей, кислот и оснований, осуществляется движением положительных и отрицательных ионов, образующихся в результате диссоциации молекул указанных химических соединений. Ионы в электролите в отсутствие внешнего электрического поля движутся хаотически. При наложении электрического поля движение ионов становится упорядоченным, и катионы перемещаются к катоду, а анионы - к аноду.

Источник электрического тока является своеобразным двигателем или насосом, перемещающим электроны с одного полюса на другой. В результате такого принудительного перемещения электронов на катоде образуется избыток отрицательно заряженных электронов на катоде образуется избыток отрицательно заряженных электронов и он приобретает отрицательный заряд, а анод, лишившись части электронов, приобретает положительный заряд.

Источником ионов выделяемого металла является анод, состоящий из этого металла, и электролит, содержащий его растворимое соединение. В случае использования нерастворимого анода источником ионов выделяемого металла является только электролит.

Превращение иона металла в атом связано с расходом некоторого количества энергии. Поэтому в первую очередь протекает тот процесс разрядки, который требует меньших затрат энергии. В связи с этим электролиз является и процессом рафинирования, так как не все имеющиеся в электролите катионы при данных условиях могут выделиться на катоде. В этом случае метод электролиза позволяет получать порошки высокой чистоты, допускающий возможность использования даже загрязненных исходных материалов.

В зависимости от условий электролиза на катоде можно получать твердые хрупкие осадки в виде плотных слоёв, губчатые мягкие осадки и осадки рыхлые. Твёрдые и губчатые осадки для получения порошка измельчают, а рыхлые используют как готовый порошок. Основными факторами, влияющими на структуру катодного осадка является:

- концентрация ионов выделяемого металла;

- температура электролита;

- плотность тока.

Концентрация ионов выделяемого металла влияет на количество и качество катодного осадка. При электролизе выделение металла на катоде начинается не по всей его поверхности, а в отдельных местах, в первичных центрах кристаллизации. Повышение концентрации ионов выделяемого металла создаёт ускоренное питание этих центров, в результате чего формируется плотный осадок. Понижение концентрации ионов металла в электролите создаёт условия для образования рыхлого осадка. Однако при слишком малой концентрации в процесс электропереноса будут вовлекаться и другие ионы, что снизит количество катодного осадка.

Температура электролита. При повышении температуры увеличивается подвижность ионов ускоряется их перенос, сохраняется повышенная концентрация катионов у катода. В то же время повышается интенсивность химического взаимодействия выделяемого металла с электролитом, что приводит к снижению количества осадка металла на катоде. Кроме того, возрастает летучесть электролита, ухудшающая условия труда. Практически электролиз водных растворов ведут при температуре электролита 40 - 60 єС, а электролиз расплавов - при температуре ниже температуры плавления выделяемого металла, обеспечивая минимальное протекание побочных процессов.

Плотность тока представляет собой силу тока, проходящего через 1 м2 электрода. Она связывает силу тока, являющегося главным фактором, характеризующим её производительность, с суммарной рабочей площадью катодов или анодов в ванне:

П=J/S

где П - плотность тока, (А /м2);

J - сила тока, А;

S - суммарная рабочая площадь катодов или анодов, м2.

Катодная и анодная плотности тока в ванне не совпадают, так как суммарные поверхности катодов и анодов всегда различаются между собой в силу ряда причин. При большой плотности тока на единице площади катода разряжаются больше ионов и таким образом создаются много первичных центров кристаллизации. В связи с малой скоростью роста кристаллов образуются мелкие, дисперсные осадки. Однако высокая плотность тока приводит к выделению на катоде побочных элементов и снижает количество осадка выделяемого металла. Кроме того, с повышением катодной плотности тока растёт и анодная плотность тока, в результате чего на аноде начинается разрядка побочных ионов, приводящая к ухудшению технико-экономических показателей. Поэтому плотность тока должна быть максимально допустимой и не превышать оптимальное значение.

Изменение плотности тока осуществляется за счет изменения силы тока на ванне или изменением числа катодов (катодной поверхности) при постоянной силе тока.

На электролиз и свойства катодного осадка влияют и другие факторы. В частности, расстояние между электродами, длительность наращивания порошка, кислотность электролита, наличие в нем посторонних ионов, скорость циркуляции электролита, форма и состояние поверхности электродов и другие факторы.

Методом электролиза можно получать порошки всех металлов. В настоящее время электролизом получают порошки меди, железа, серебра, цинка, никеля, кадмия, олова, сурьмы, а также их сплавов.

Электролитический метод производства порошков характеризуется невысокой производительностью и довольно высокой себестоимостью получаемого порошка. Однако чистота и высокие технологические свойства электролитических порошков в значительной степени компенсируют недостатки метода.

Диссоциация карбонилов. Карбонилы представляют собой химические соединения металлов с оксидом углерода, которые можно выразить общей формулой Ме а (СО) с . В основе карбонильного метода лежит способность некоторых металлов под воздействием оксида углерода (СО) образовывать комплексное соединения, называемые карбонилами, которые при определённых условиях могут диссоциировать с образованием порошков. Общим требованием к таким соединениям при получении порошков является их легколетучесть и невысокие температуры образования и термического разложения.

Карбонильный процесс получения порошков проходит в две стадии по реакциям:

Ме а Б в + сСО > Ме а (СО) с

Ме a (СО) с > аМе + сСО

На первой стадии исходное сырьё (Ме а Б в) , содержащее металл (Ме) в соединении с балластным веществом (Б в) взаимодействует с оксидом углерода (СО), образуя промежуточный продукт - карбонил [Ме а (СО) с ] , который отделяется от балластной примеси благодаря высокой летучести и собирается в чистом виде.

Во второй стадии промежуточный продукт (карбонил) при нагреве диссоциирует на металл и оксид углерода, который обычно возвращают на первую стадию процесса.

Первую стадию карбонильного процесса называют синтезом карбонила металла, а вторую - термическим разложением карбонила.

При синтезе карбонила на поверхности исходного материала, который может быть металлоломом, отходами металлообработки, окисленными рудами и др., адсорбируются газообразные молекулы оксида углерода (СО), вступающие затем в химическое взаимодействие с металлической составляющей сырья.

Образующееся карбонильное соединение вначале остаётся на поверхности металла, удерживаемое силами сцепления, а затем удаляется с неё в виде газа. Реакция образования карбонила идёт везде, где оксид углерода соприкасается с поверхностью металла в исходном сырье, а именно снаружи твердого тела, в его трещинах и порах. На образование карбонила оказывают влияние температурные условия, а также присутствие веществ, тормозящих или ускоряющих реакцию.

Термическая диссоциация карбонила на металл и оксид углерода обычно проходит при относительно невысокой температуре. Сначала появляются атомы металла и газообразные молекулы оксида углерода. Порошковые частицы формируются в результате кристаллизации парообразного металла. Сначала образуются зародыши, а затем из них вырастают крупинки порошка различной формы.

На скорость образования зародышей и на скорость формирования металлических кристаллов влияют степень разряжения в аппарате, концентрация паров металла и главным образом температура. При относительно низкой температуре образуется значительно больше зародышей, чем при повышенной. Увеличение концентрации пара металла и снижение вакуума в аппарате благоприятствует образованию зародышей.

Условия развития зародышей отличны от условий их образования. Скорость роста кристаллов также зависит от температуры процесса и от концентрации паров металла. Однако глубина вакуума влияет на форму и размер частиц металла. В условиях глубокого вакуума образуются очень мелкие частицы с правильно сформированными гранями. В умеренном вакууме образуется смесь правильных кристаллов самых различных размеров, а в неглубоком вакууме появляются дендриты. В промышленных масштабах карбонильным методом производят порошки никеля, железа, кобальта, хрома, молибдена, вольфрама и некоторых других металлов. Метод позволяет получать и полиметаллические порошки, например железоникелевые, железомолибденовые, железокобальтовые, железоникельмолибденовые. В этом случае термическому разложению подвергают смесь карбонилов соответствующих металлов. Сами карбонилы при этом готовят отдельно. Сплавы можно получать и в том случае, если в аппарат разложения вместе с парами карбонила вводить порошок другого металла. Карбонил разлагается на поверхности порошковых частиц и образуется сплав.

Гидрометаллургический способ. Метод является одним из способов хлорной металлургии, в которой используются активные свойства хлора и хлоридов для получения редких металлов и веществ в высокочистом состоянии, когда другие известные методы не могут быть применены. Метод может быть использован и для получения легированного порошка из комплексных руд, содержащих никель, хром, ванадий и другие легирующие элементы, и перерабатываемые в настоящее время с большими потерями указанных элементов.

Сущность способа заключается в том, что металлосодержащий материал подвергается процессу восстановления. Полученный продукт обрабатывается соляной кислотой, в результате чего металл переходит в раствор образуя хлориды по схеме:

Ме + HCl > МеCl + H 2

Нерастворимые компоненты (пустая порода, зола и др.) остаются в осадке. Раствор отделяют от осадка фильтраций, упаривают до концентрации насыщения и подвергают кристаллизации. Полученные кристаллы хлоридов восстанавливают водородом.

Применительно к комплексным рудам в раствор переходят железо, никель, хром, ванадий, марганец. Нерастворимый осадок имеет самостоятельную ценность, так как после перевода в раствор железа и некоторых легирующих элементов он обогащается другими компонентами.

В термодинамическом отношении, характеризующем возможность получения легированного железа из руд хлоридным методом, представляют интерес три основные операции:

- восстановительный обжиг руды;

- растворение обожженной руды в соляной кислоте;

- восстановление хлоридов.

Расчеты показывают, что при восстановительном обжиге в интервале температур 700 - 1000 °С возможно восстановление оксидов железа и никеля. Оксиды остальных металлов в указанном температурном интервале не восстанавливаются. Однако, в присутствии железа возможно восстановление оксидов хрома и марганца, сопровождающегося образованием твердого раствора (Fe - Ме), снижающим сродство восстанавливаемого металла к кислороду.

Из приведённых зависимостей следует, что в присутствии железа равновесный состав газа беднее водородом и оксидом углерода. И образование раствора хрома и марганца в железе существенно облегчает процесс восстановления оксидов хрома и марганца и сдвигает его в область более низких температур.

Следовательно, при восстановительном обжиге комплексных руд возможно восстановление железа, никеля, хрома, марганца и при растворении обожженной руды в соляной кислоте они перейдут в раствор, образуя хлориды. Оксиды остальных элементов, входящих в состав руд, в этих условиях не восстанавливаются и перейдут в нерастворимый остаток.

Хлориды марганца и хрома при указанных температурах не восстанавливаются. Однако, восстановление их в присутствии металлического железа возможно при температурах 600 - 700 °С с образованием твердого раствора хрома и марганца в железе.

Таким образом термодинамические расчеты показывают на возможность осуществления основных операций хлоридного метода получения легированного железа из комбинированных руд. При обжиге возможно восстановление оксидов железа, никеля при температурах 700 - 1000 °С, а более прочных оксидов хрома имарганца - при 900 - 1000 °С в присутствии металлического железа с образованием твердых растворов этих элементов в железе. При растворении руды в соляной кислоте основные элементы переходят в раствор, образуя хлориды, восстановление которых возможно при температурах 600 - 700 °С.

Технологический процесс получения легированного железа из комплексных руд хлоридным методом представлен на рисунке 58. Усредненная на рудном дворе руда поступает в дробильное отделение. Сюда же подается твердый восстановитель. В процессе размола происходит равномерное перемешивание руды и восстановителя. Приготовленная шихта направляется на восстановительный обжиг. Для ускорения процесса обжиг проводится с использованием газообразного восстановителя. Подвергнутая восстановительному обжигу руда направляется в реакторы растворения, заполненные соляной кислотой.

Начальная стадия растворения происходит бурно, сопровождается интенсивным выделением водорода, который, пройдя системы осушки и очистки, подаётся на восстановление хлоридов. По мере снижения концентрации соляной кислоты и сокращения поверхности твердой фазы скорость реакции растворения падает. Для ускорения процесса растворения на конечном этапе реакционный объём обогревается паром, подаваемым в паровые рубашки реакторов.

Полученная в результате растворения пульпа, содержащая частицы нерастворимого остатка, подается на фильтрацию, где раствор отделяется от нерастворимого остатка. Отфильтрованный раствор поступает на выпаривание и кристаллизацию.

Кристаллы хлоридов направляются на восстановление, которое осуществляется с помощью водорода. Образующийся в ходе восстановления хлористый водород поступает на регенерацию соляной кислоты.

К числу основных достоинств гидрометаллургического способа следует отнести высокую чистоту порошка и почти полная регенерация водорода и соляной кислоты, образующихся на стадиях растворения металлосодержащего сырья и восстановления хлоридов. Кроме того, нерастворимый осадок имеет свою самостоятельную ценность, так как после перевода в раствор получаемого металла он обогащается другими ценными компонентами.

Для случая использования легированного металлосодержащего сырья можно регулировать состав получаемого порошка путем селективного восстановления сложных хлоридов.

Использование сильного тока приложенного к стержню металла в вакууме. Применяется для производства порошкового алюминия.

В промышленных условиях специальные порошки получают также осаждением, науглероживанием, термической диссоциацией летучих соединений (карбонильный метод) и другими способами.

Изготовление порошковых изделий

Типовой технологический процесс изготовления деталей методом порошковой металлургии состоит из следующих основных операций: смешивание, формование, спекание и калибрование.

Приготовление смеси

Смешивание -- это приготовление с помощью смесителей однородной механической смеси из металлических порошков различного химического и гранулометрического состава или смеси металлических порошков с неметаллическими. Смешивание является подготовительной операцией. Некоторые производители металлических порошков для прессования поставляют готовые смеси.

Формование порошка

Формование изделий осуществляем путем холодного прессования под большим давлением (30-1000 МПа) в металлических формах. Обычно используются жёсткие закрытые пресс-формы, пресс-инструмент ориентирован, как правило, вертикально. Смесь порошков свободно засыпается в полость матрицы, объёмная дозировка регулируется ходом нижнего пуансона. Прессование может быть одно- или двусторонним. Пресс-порошок брикетируется в полости матрицы между верхними и нижним пуансоном (или несколькими пуансонами в случае изделия с переходами). Сформированный брикет выталкивается из полости матрицы нижним пуансоном. Для формования используется специализированное прессовое оборудование с механическим, гидравлическим или пневматическим приводом. Полученная прессовка имеет размер и форму готового изделия, а также достаточную прочность для перегрузки и транспортировки к печи для спекания.

Таб. 1 Пример специализированных гидравлических прессов для порошковой металлургии и их характеристик

Техническая характеристика

П812

Д1240

П474

Номинальное усилие (МН)

2,5

10

1

Ход подвижной траверсы (мм)

460

1500

550

Усилие выталкивания (МН)

1,2

4

0,11

Числов ходов в минуту

4

0,5

-

Скорость рабочего хода (мм/с)

53

50

1,08

Скорость холостого хода (мм/с)

350

200

50

Мощность электродвигателя (кВт)

81

160

2,8

Длинна (мм)

2950

7600

1130

Ширина (мм)

2800

1400

1390

Высота (мм)

6270

10700

3515

Масса (т)

28

123

4

Спекание

Спекание изделий из однородных металлических порошков производится при температуре ниже температуры плавления металла. С повышением температуры и увеличением продолжительности спекания увеличиваются усадка, плотность, и улучшаются контакты между зернами. Во избежание окисления спекание проводят в восстановительной атмосфере (водород, оксид углерода), в атмосфере нейтральных газов (азот, аргон) или в вакууме. Прессовка превращается в монолитное изделие, технологическая связка выгорает (в начале спекания).

Калибрование

Калибрование изделий необходимо для достижения нужной точности размеров, улучшается качество поверхности и повышается прочность.

Дополнительные операции

Иногда применяются дополнительные операции: пропитка смазками, механическая доработка, термическая, химическая обработка и др.

Порошковая металлургия титана [7]

Основная доля выпускаемого титана и сплавов на его основе подвергается вакуумной переплавке. При этом металл дополнительно рафинируется от летучих примесей и водорода. Однако вакуумное спекание, спрессованных из порошкообразного титана заготовок также оказывает значительное рафинирующее воздействие. Поэтому для ряда изделий и продуктов, в особенности при использовании чистого порошка титана, выгодно, а иногда необходимо применять методы порошковой металлургии.

Порошкообразные титан и его сплавы непосредственно применяют: в пиротехнике, в качестве инертного наполнителя для некоторых изделий из пластмасс и для покрытий емкостей в винодельческой и пищевой отраслях промышленности, для геттеров, некоторых катализаторов и т. д.

Только методами порошковой металлургии можно изготовлять всевозможные пористые изделия, коррозионностоикие фильтры для. различных растворов, нефтепродуктов, агрессивных газов и т. п.

Ряд изделий конструкционного назначения, в особенности сложной конфигурации, или небольшие детали, изготовляемые большими сериями, выгоднее производить прессованием из порошков титана или его сплавов в формы, близкие к формам готовых изделий, с последующим спеканием или горячим прессованием порошков, горячей ковкой спеченных заготовок в штампах и другими методами, принятыми в порошковой металлургии других металлов. При этом достигается большая экономия из-за уменьшения потерь и отходов металла на обточку слитков и на стружку и высечки при изготовлении изделий резанием или штамповкой из листовых, прутковых литых и прокатанных заготовок.

Изготовление заготовок спеканием из порошков для их дальнейшей обработки давлением обходится в ряде случаев дешевле, чем вакуумная плавка, особенно в случаях изготовления сплавов, которые приходится переплавлять дважды для равномерного распределения легирующих добавок.

Методами порошковой металлургии можно обеспечить более равномерное распределение легирующих элементов, замешивая их в форме порошков с исходным порошком титана. Возможно получение исходных порошков сразу в форме сплавов, например при добавке легирующих металлов в растворимый анодный материал или их соединений в электролит при получении порошков титана электролизом.

ЦНИИчерметом разработан метод введения легирующих элементов совместным восстановлением гидридом кальция смеси двуокиси титана с окислами легирующих элементов.

Методы порошковой металлургии позволяют изготовлять однородные сплавы с таким содержанием легирующих элементов, которое не удается обеспечить плавлением вследствие расслоения фаз, отличающихся по плотности.

В производстве прутковых и проволочных сварочных электродов из титановых сплавов достигается значительный технико-экономический эффект при использовании метода экструзии спеченных заготовок из смеси порошков титана с необходимыми легирующими добавками, в том числе и такими, как тугоплавкие карбиды, равномерное распределение которых трудно или невозможно достичь плавкой.

Методами порошковой металлургии производят ряд бескислородных соединений титана: гидрид титана, карбид, нитрид, карбонитрид, борид титана, применяемые в производстве твердых сплавов, для изготовления некоторых изделий в технике высоких температур, в составе наплавочных износостойких материалов и т. п.

В порошковой металлургии титана используют порошки, получаемые измельчением титановой губки, восстановлением двуокиси титана гидридом кальция, а также гидрированием отходов титана и его сплавов и электролитическим рафинированием. Для измельчения крупных и средних кусков вязкой титановой губки целесообразно ее предварительно прогидрировать для придания ей хрупкости. Порошок из гидрированных кусков губки содержит меньше примесей, чем самые мелкие фракции губки.

На операциях измельчения, гидрирования, дегидрирования, смешения порошка титана с легирующими добавками и при хранении порошков они должны быть предохранены от окисления и поглощения азота, чтобы содержание кислорода и азота в металле не превосходило допустимых пределов. В частности, не следует измельчать порошки менее 0,05 мм.

Можно прессовать непосредственно порошок гидрида титана, который более стоек против окисления, или смесь гидрида с дегидрированным порошком. Хрупкий порошок гидрида прессуется труднее, и брикеты из него имеют меньшую прочность, но он быстрее спекается вследствие образования активных кристаллов металла с большой концентрацией дефектов в них в результате разложения гидрида титана в процессе спекания в вакууме. Активированное спекание происходит и при спекании смеси порошков титана и гидрида титана.

Небольшие заготовки из порошка титана или его гидрида прессуют в стальных пресеформах под давлением от 3,5 до 8 Т/см2.

Крупные заготовки массой 50--100 кг и больше прессуют гидростатическим прессованием.

Спекание проводят в вакууме 10-4 мм рт. ст. при 1200--1400° С. Происходящее при 880° С превращение гексагональной модификации титана (а-титан) в кубическую в-титан) благоприятствует повышению подвижности атомов, что позволяет достигать значительной усадки в процессе спекания при указанных относительно невысоких температурах. При спекании следует медленно повышать температуру в области 500--800° С, когда выделяется большая часть водорода.

Конечная пористость изделий, спеченных из гидрида титана, около 2% при линейной усадке 12--14%. Так, при плотности спрее-сованных из гидрида изделий 3,2--3,8 г/см3 после спекания в течение 8 ч при 1300° С плотность возрастает до 4,45 г/см3. Вследствие большой усадки при спекании из гидридных порошков нельзя получить изделия точно заданных размеров.

При работе с более крупнозернистым титановым порошком, полученным измельчением губки, после спекания в течение 15 ч при 1000° С и 4 ч при 1200° С наблюдается линейная усадка только 4 -- 5%. Для получения плотного металла необходима промежуточная ковка (обжатие) заготовки и повторное спекание.

В СССР и за рубежом проводят исследования по повышению жаропрочности титана и его сплавов введением дисперсных тугоплавких твердых включений методами порошковой металлургии. Развиваются работы по обработке порошков титана и его сплавов давлением (в оболочках или без них), в том числе и горячей обработкой давлением в вакууме, что приобретает в последнее время важное значение в обработке ряда тугоплавких металлов. Сюда относятся процессы прокатки (пористых и беспористых) листов и лент, экструзии, ковки.

Представляет интерес возможность применения для формования заготовок и фасонных изделий из порошков титана и его сплавов таких новых эффективных методов, осваиваемых в порошковой металлургии других металлов, как горячее газовое изостатическое прессование (см. гл. II, § 5), импульсное прессование, горячая безотходная ковка фасонных изделий в штампах и др.

Освоение новых методов производства и обработки заготовок и изделий из титана и его сплавов создает условия интенсивного расширения масштабов производства и ассортимента продукции в порошковой металлургии титана и его сплавов.

Развитие порошковой металлургии титана основывается по современному состоянию производства в первую очередь на переработке отходов. В производстве титана и его сплавов и изделий из них в совокупности образуется отходов больше 70% от выпуска исходной титановой губки. Около 50% от всех образующихся отходов титана и его сплавов -- некондиционные; их нельзя подшихтовывать в плавку из-за большого содержания в них кислорода, азота и других примесей, а также из-за неконтролируемого содержания легирующих элементов (алюминия, марганца, ванадия, олова и др.) в случайных смесях отходов разных сплавов. Такие отходы или, во всяком случае, значительную их часть выгодно перерабатывать в порошки одним из описанных выше методов (гидрированием с последующей гидрометаллургией, электролитическим рафинированием).

По мере увеличения масштаба потребления титановых порошков и расширения различных технических требований к ним для разных областей применения, а также требований к снижению их стоимости может возникнуть необходимость в освоении и других методов их производства. Так, среди методов первичного производства порошка титана непосредственно из его основного полуфабриката -- четыреххлористого титана заслуживает внимания натриетермический метод восстановления, который при его одностадийном осуществлении дает достаточно мелкозернистый чистый порошок. Для легирования натриетермического порошка, равно как и магниетермической губки и порошка из нее, представляет интерес возможность добавления некоторых хлоридов легирующих элементов (молибдена, алюминия, ванадия и. др.) к хлориду титана перед его восстановлением.

В поисках новых путей производства дешевых порошков титана и его сплавов представляет интерес возможность использования дешевых и электропроводных анодных материалов в виде карбонитридов и оксикарбидов. Их получают углетермическим вскрытием титановых рудных концентратов, впоследствии из них электролитическим рафинированием производят титановый порошок.

В случае реализации процесса частичной сепарации титановой губки, восстановленной магнием из тетрахлорида с последующим гидрированием, измельчением и выщелачиванием примесей, часть измельченного и отмытого гидрида можно использовать для производства титанового порошка дегидрированием.

Для некоторых областей применения, например для производства фильтров.с высокой проницаемостью, представляет интерес применение порошков титана и его сплавов со сферической формой частиц. Такие порошки получают распылением из расплава инертным газом, распылением вращающегося титанового электрода, расплавляемого в электродуге, или плазменным нагревом в струе инертного газа.

В будущем дешевые порошки титана смогут производиться в количествах, значительно превышающих потребность в них порошковой металлургии. Порошки титана можно будет направлять и на вакуумную переплавку для производства литых сплавов титана.

Таким образом, методы плавки и порошковой металлургии в производстве титана должны развиваться параллельно, дополняя один другой.

2. Новые технологии в производстве пористого титана

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к получению пористого титана. В качестве исходного материала применяется фракция 5 мкм ч 25 мкм титанового порошка, полученного карбонильным способом. Порошок размещают в формовочной оболочке, уплотняют воздействием вибрации и спекают в условиях низкого вакуума 10 Pa ч 100 Pa при температуре 630° ч 680°С. Способ позволяет получить высокопористое изделие с высокой степенью однородности размеров пор и высокой прочностью.

Задачей являлось создание способа получения пористого титана (далее также «пористого изделия на основе титана», «пористого изделия», «изделия»), позволяющего повысить пористость изделия до 50ч55 и более процентов и повысить однородность размеров пор, и при этом обеспечивающего удовлетворительную механическую прочность изделия, а также позволяющего уменьшить материальные затраты при получении изделия. Решение такой задачи является выгодным компромиссом между достижением высокой пористости или высокой прочности. При этом решается и более узкая задача обеспечения высокой однородности размеров пор по длине пористого изделия, один из геометрических размеров которого (длина) значительно превышает два других размера и может составлять до 1 м (метр).

Рис. 5 Итоговое титановое пористое изделие

Поставленная задача решается тем, что:

в формовочную оболочку свободно засыпают полученный карбонильным способом титановый порошок, состоящий из частиц неправильной округлой формы с размерами 5 мкм ч 25 мкм и с повышенной активностью к спеканию, уплотняют порошок воздействием вибрации, затем порошок спекают в низком вакууме (форвакууме) глубины 10 Pa ч 100 Pa, нагревая и выдерживая при температуре спекания 630°С ч 680°С, с образованием спеченного пористого изделия, и освобождают спеченное пористое изделие из формовочной оболочки;

длительность спекания по достижении температуры спекания не превышает 5 минут;

титановый порошок засыпают в легко разрушаемую формовочную оболочку однократного использования, а освобождают спеченное пористое изделие из формовочной оболочки путем ее разрушения.

Однородность распределения пор по размерам в спеченном пористом изделии повышается благодаря неправильной округлой форме исходных частиц порошка, относительно небольшому разбросу размеров этих частиц (5 мкм ч 25 мкм), а также благодаря невысокой температуре спекания 630°С ч 680°С и, в частном случае, ограничению длительности спекания при температуре спекания 5 минутами.

Механическая прочность получаемого пористого изделия обеспечивается улучшением и ускорением формирования контактных зон отдельных частиц порошка друг с другом благодаря, во-первых, большей активности к спеканию частиц исходного порошка, во-вторых, относительно малому характерному размеру частиц порошка (5 мкм ч 25 мкм) и, в-третьих, благодаря тому, что некоторая доля частиц неправильной округлой формы контактирует друг с другом большей поверхностью, сравнительно с точечными контактами частиц сферической формы. Эти факторы обеспечивают достаточную прочность, несмотря на низкую степень вакуума (10 Pa ч 100 Pa), несмотря на такую относительно низкую температуру спекания 630°С ч 680°С и несмотря, в частном случае, на ограниченную длительность спекания при температуре спекания (до 5 минут).

Материальные затраты при получении спеченного пористого изделия по предлагаемому способу снижаются благодаря проведению спекания в условиях низкого вакуума (форвакуума) 10 Pa ч 100 Pa, что не требует дорогого вакуумного оборудования, и в то же время не подавляет активность к спеканию из-за окисления воздухом.

Материальные затраты при получении спеченного пористого изделия в частном случае предлагаемого способа снижаются благодаря тому, что титановый порошок засыпают в легко разрушаемую формовочную оболочку однократного использования, а освобождают спеченное пористое изделие из формовочной оболочки путем ее разрушения. При этом достаточная механическая прочность, обеспечиваемая предлагаемым способом, предотвращает разрушение изделия. Это позволяет использовать дешевые формовочные оболочки.

Пантентообладателем данной технологии является Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный университет им. А.М. Горького"

3. Титановые фильтры

Физико-химические свойства и характеристики фильтрующих элементов из пористого титана

Титан - четырехвалентный нетоксичный металл, основное применение нашёл в металлическом виде для изготовления высокопрочных легких изделий, фильтрующих элементов, искуственных суставов, протезов, штифтов для имплантантов в стоматологии, коогулянтов, а также в виде оксида титана в качестве наполнителей в различных сферах: от фармацевтики до пластиков, красок и бумаги. Эти свойства определяются особыми сорбционными свойствами поверхностной плёнки оксида титана, бакцеридными свойствами при одновременной химической и биологической инертности.

Новое направление в сфере использования титана - титановый коагулянт для применения в системах водоочистки. Благодаря своим основным качествам коагулянт на основе титана позволяет достичь наилучших показателей очищенной воды, показывая при этом дополнительные положительные показатели по экономической эффективности.

Бактерицидность титана - способность подавлять рост микроорганизмов широко известна. Данные, полученные в ходе длительных опытов, показали, что титаносодержащие материалы выделяют в воду ионы, обладающие бактериостатическим действием. Бактерицидные свойства титана также изучались в связи его широким применением в медицине. Таким образом, помимо своих фильтрующих и коагулирующего действий этот инновационный продукт обладает и значительными дезинфицирующими свойствами. Практически мгновенного соприкосновения воды с титаном достаточно, чтобы она получила бактерицидные свойства. И действительно, совсем небольшое количество титана необходимо чтобы очистить один литр воды. Опыты учёных показали, что титан может справится почти с семьюстами разновидностями разных бактерий, многими вирусами и грибками, в то время как любые антибиотики борются с семью видами бактерий. Пористый титан способен разрушать ферментные системы микроорганизмов, что приостанавливает их рост и размножение, не вызывает привыкания и накопления в организме.

Пористый титан биологически инертен. Увеличение содержания титана в организме даже на несколько порядков не вызывает ни рака, ни аллергии, ни отравления. Неудивительно, что пористый титан нашел самое широкое применение в медицине, и вскоре встал вопрос об использовании этого материала в качестве носителя для имплантатов. Пористый титан - перспективный материал для клеточной терапии признан безопасным для трансплантации материалом и обладает иммуноизолирующими, барьерными свойствами, а импланты, созданные на его основе, по мнению ученых, можно считать гибридными искусственными органами, предназначенными для временной или постоянной замены утраченной функции естественных органов. Пористые спеченные изделия используются в химической, текстильной, металлургической и других отраслях промышленности для очистки различных агрессивных сред (ТУ У 27.4-00201081-001-2003). А также используются в пищевой промышленности для фильтрации вино-водочных изделий питьевой и минеральной воды (ТУ У 27.4-00201081-002-2003).

Эффективность титановых пористых изделий обусловлена их высокой коррозионной стойкостью, биологической нейтральностью, возможностью регулирования в процессе изготовления размера пор, пористости, механической прочности и размеров. Применяются в виде стаканов, труб, колец типа Рашига и других элементов аппаратуры в химической, текстильной, металлургической и других отраслях промышленности.

применение аэраторов на титановых трубках в флотационных машинах пенной сепарации обогатительных фабрик дали высокие технологические показатели.

пористые титановые трубы используются в качестве аэраторов на очистных сооружениях биологической очистки сточных вод взамен перфорированных кислотоупорных труб. Испытания показали, что применение пористых спеченных элементов из порошка титана позволило резко увеличить количество кислорода в очищаемых сточных водах, который очень важен для обеспечения жизнедеятельности ила.

пористые тановые фильтры могут применяться для очистки газовых сред от пыли, в частности они применяются в системе отбора отходящих газов конверторов медеплавильного производства.

По сравнению с другими пористыми материалами титановые обладают рядом преимуществ:

высокой прочностью;

коррозионной стойкостью;

биологической инертностью;

малой удельной массой;

возможностью многократно использовать после регенерации.

Именно это позволяет фильтрам из пористого титана по праву занимать первое место среди мировых водоочистных систем. Достоинства пористого титана наиболее полно реализуются в современных фильтрах очистки воды типа ФМВ.

4. Фильтры очистки типа ФМВ

Фильтры микроочистки воды типа ФМВ предназначены для очистки без изменения минерального состава воды, поступающей к потребителю из источников и систем хозяйственно-питьевого водоснабжения, скважин или иной напорной сети от механических примесей, взвешенных частиц, гидроокиси железа, нефтепродуктов, путем фильтрации через ее пористые фильтрующие элементы из полипропилена, титана или нержавеющей стали с диаметром пор от 0,2мкм до 150мкм. Климатическое исполнение УХЛ, категория размещения 3 по ГОСТ 15150-80. Фильтры имеют исполнения, различающиеся между собой количеством фильтроэлементов, собранных в одном корпусе, размером фильтрующих элементов и количеством фильтрующих элементов.

Основные преимущества фильтров серии ФМВ:

- корпуса фильтров выполнены из нержавеющей стали;

- особые сорбционные и антисептические свойства диоксида титана позволяет изготавливать фильтрующие элементы, сочетающие в себе финишный фильтр тонкой очистки и предфильтр;

- улучшают вкус и органолептические показатели воды;

- номенклатура фильтрующих элементов различной длинны и геометрии для обеспечения требуемой производительности процесса фильтрации;

- отсутствие миграции волокон и примесей из фильтрующего слоя;

- повышенная грязеемкость фильтров;

- высокая химическая стойкость фильтрующих элементов к широкому спектру химреактивов;

- низкое содержание экстрагируемых веществ, отсутствие связующих смазок и поверхностно-активных веществ при производстве;

- широкий диапазон рабочих температур;

- возможность многократной регенерации фильтрующих элементов;

Рис. 10 Готовый образец титанового фильтра

Области применения

Фильтроэлементы из пористого титана применяются для очистки холодной и горячей воды, а также для финишной очистки хозяйственно-бытовых и промышленных стоков от химических соединений (солей тяжелых металлов, нитратов, железа, алюминия, четыреххлористого углерода, нефтепродуктов, свободного хлора, улучшают органолептические свойства питьевой воды без изменения ее минерального состава, снижают содержание в питьевой воде бактерий кишечных палочек (до требования ГОСТ 2874-82 по микробиологическим показателям воды при содержании БГКП в исходной воде до 1 х 10 в 1 куб.дм.) и уменьшают содержание полифагов (см. табл.2).

- очистка воды в системах напорного водоснабжения отдельных квартир, коттеджей, кафе, больниц

- обезжелезивание воды с использованием барбатирования;

- финишная очистка воды, водки, спирта на предприятиях по производству виноводочных и безалкогольных напитков, пищевых продуктов, соков, пива, минеральной воды; - фильтрация лаков, красок, эмалей, технических растворов, гальванических стоков;

- фильтрация парфюмерной продукции;

- холодная стерилизация жидкостей;

- очистка и стерилизация воздуха и газовых смесей;

- очистка стоков автомоек, прачечных, промышленных предприятий;

- очиска масел, кремнеорганических и органических жидкостей;

- очистка биологически активных жидкостей

Ниже приведены таблицы качества очистки воды после примения пористых титанвых фильтров

Таб. 2 Качество воды после очистки титановыми фильтроэлементами пористостью 5-10 мкм

Показатели

Единица измерения

Исходная вода

Вода после фильтра

Качество очистки %

Бакзагрязнения

Коли-инд.

10000

3

99,99

Железо+++(гидроокис.)

мг/л

6.8

0,09

99

Железо++

мг/л

1,7

1,1

35

Мышьяк

мг/л

0,1

0,03

70

Хром

мг/л

0,05

0,25

50

Свинец

мг/л

0,06

0,03

50

Алюминий

мг/л

2,5

1,46

40

Марганец

мг/л

0,1

0,09

10

Медь

мг/л

0,04

0,03

25

Цинк

мг/л

0,5

0,4

20

Нитраты

мг/л

50

12,5

75

Свободный хлор

мг/л

0,35

0,17

54

Нефтепродукты

мг/л

1,1

0,1

90

Мутность

мг/л

28,8

2,3

90

Привкус

баллы

3

1

3 раза

Запах

баллы

Страница:


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены