CC BY
3
УДК 669.14.018 DOI 10.25960/mo.2019.4.53
Центробежное литье металлических порошков
В. Л. Гиршов
Отмечены недостатки технологий получения распыленных металлических порошков в газовых атомай-зерах и установках с расплавлением вращающегося электрода. Предложена схема центробежного литья порошков из вращающегося стакана с охлаждением частиц в жидкой среде. Описаны запатентованные установки центробежного литья, отличающиеся малыми габаритными размерами и простотой конструкции.
Приведены результаты модельных экспериментов по получению порошков олова и бронзы со средним размером частиц 100 мкм. Сделан вывод о возможности получения дешевых сферических порошков со средним размером сферических частиц от 200 до 40 мкм для горячего прессования и аддитивных технологий вуста-новке с высокоскоростным шпинделем.
Ключевые слова: порошковая металлургия, центробежное распыление, специальные стали, технологическое оборудование.
В середине прошлого века возникло и успешно развивается новое направление современного материаловедения и порошковой металлургии, базирующееся на производстве и применении металлических распыленных порошков. Затвердевание распыленных порошков протекает при сверхвысокой скорости охлаждения (103-106 К/с), что позволяет радикальным образом изменять структуру металлических сплавов. Для сплавов из распыленных порошков характерны отсутствие макроликвации легирующих элементов и значительное диспергирование микроструктуры — вплоть до нанокристаллическо-го и аморфного состояния. Эти уникальные структурные изменения открывают новые возможности для создания высоколегированных металлических сплавов с повышенными механическими и функциональными свойствами.
Промышленное производство порошков быстрорежущих, коррозионно-стойких и других специальных сталей и сплавов базируется на технологии газового распыления металлического расплава в установках (атомайзе-рах) шахтного типа. Техническая сложность и высокая стоимость таких установок, а также значительные эксплуатационные затраты
обусловливают высокую стоимость порошка. Например, себестоимость порошка быстрорежущей стали Р6М5 примерно в три раза превышает себестоимость слитка этой же стали. Особенно высока цена мелких сферических порошков для аддитивных технологий (100 евро/кг и более) [1].
Распыленные порошки титановых, жаропрочных никелевых и некоторых других легированных сплавов производят центробежным способом с оплавлением вращающегося электрода (рис. 1). Для такой схемы центробежного распыления характерна сферическая форма порошковых частиц. Основным параметром, характеризующим сферический порошок, является средний диаметр частиц ¿50. Например, (¿50 = 100 мкм означает, что у 50 % частиц порошка (по массе) размер меньше или равен 100 мкм. Известна эмпирическая формула для расчета среднего размера частиц при распылении вращающегося электрода:
¿50 = k/n (s/Dg)0'5,
где k — константа; n — скорость вращения электрода; s — поверхностное натяжение расплава; D — диаметр электрода; g — плотность расплава.
МЕМППООБРАБОТКА
Рис. 1. Схема технологии центробежного распыления с вращающимся электродом:
1 — вакуум, инертный газ; 2 — приводной ремень; 3 — распыляемая заготовка; 4 — шпиндель; 5 — ввод заготовки в камеру распыления; 6 — контактные щетки; 7 — водоохлажда-емый катод с вольфрамовым наконечником
Fig. 1. Diagram of centrifugal spraying technology with a rotating electrode:
1 — vacuum, inert gas; 2 — drive belt; 3 — sprayed billet; 4 — spindle; 5 — input of the workpiece into the spray chamber; 6 — contact brushes; 7 — water cooled cathode with a tungsten tip
В этой формуле все элементы, за исключением скорости вращения электрода, сохраняют практически постоянное значение при распылении конкретного сплава в определенной установке. Таким образом, средний размер сферических частиц порошка при центробежном распылении зависит практически только от скорости вращения электрода. В зарубежной литературе имеются надежные экспериментальные данные, характеризующие зависимость среднего размера частиц порошка от скорости вращения электрода (рис. 2). Например, при скорости вращения 10 тыс. об/мин ¿50 = 150 мкм [2].
В качестве электродов используют цилиндрические заготовки диаметром не более 90 мм. Скорость вращения электродов обычно составляет 10-20 тыс. об/мин. К электродам предъявляются высокие технические требования. Не допускаются дисбаланс, кривизна, низкая прочность материала. Следует отметить и другие недостатки и ограничения этой технологии. Распыленный порошок наследует возможную химическую неоднород-
ность электрода. Кроме того, тонкая пленка расплава, слетающая с оплавляемой поверхности электрода, имеет низкую температуру перегрева, что не позволяет изменять поверхностное натяжение расплава для повышения дисперсности порошковых частиц. Наконец, надо отметить, что технология с вращением сравнительно массивных электродов не имеет существенной перспективы в части повышения дисперсности порошка за счет увеличения скорости вращения. С увеличением скорости вращения больших масс резко возрастают вибрация и нагрузка на подшипники, что в конечном счете ограничивает работоспособность конструкции установки. В целом технология распыления с вращающимся электродом не пригодна для крупнотоннажного производства стальных порошков из-за низкой производительности и чрезвычайно высокой стоимости металлургического передела.
В 1980-е годы в Центральном научно-исследовательском институте материалов (ЦНИИМ) были начаты НИОКР, ставившие своей целью создание оборудования и экономичной технологии производства металлических порошков. Эти работы основывались на идее литья расплава в быстро вращающийся стакан и затвердевании капель расплава не в газе, а в жидкости. На рис. 3 показана схема опытной установки ЦНИИМ с жидкой средой
100
80
60
в и
й
140
ф
и о о
20
10
100
Размер частиц, мкм
1000
Рис. 2. Фракционный состав распыленного порошка стали при разной скорости вращения электрода
Fig. 2. Fractional composition of the sprayed steel powder at different electrode rotation speeds
1
4
6
0
охлаждения порошка. Жидкая среда позволяет резко уменьшить габаритные размеры установки и предельно упростить ее конструкцию. В качестве охлаждающей жидкости можно применять закалочные среды — воду и водные растворы, а также минеральное масло, причем применение масла с низкой упругостью пара позволяет вести распыление в вакууме.
Центробежное литье осуществляется следующим образом. В сборник порошка заливается охлаждающая жидкость. Камера установки герметизируется, для чего в донной части литейной воронки установлена проплавляемая прокладка. Затем камера ваку-умируется и при необходимости заполняется инертным газом. Перед распылением литейная воронка нагревается газовой горелкой. После завершения подготовительных операций включаются приводы вращения стакана-распылителя и сборника порошка, затем жидкий металл заливается в литейную воронку. Герметизирующая прокладка расплавляется, и струя металла через калиброванную трубку диаметром 5-6 мм попадает во вращающийся стакан, из которого капли расплава выбрасываются в сборник с охлаждающей жидкостью. Производительность установки по стали 30-40 кг/мин [3].
В опытной установке получали порошки быстрорежущей стали, чугуна, медных и алюминиевых сплавов. Существенным недостатком опытной установки была низкая скорость вращения стакана-распылителя (3000 об/ мин), в связи с чем средний размер частиц порошка был около 500 мкм. В 1990-годы из-за отсутствия потребности в порошках опытная установка была демонтирована и утилизирована.
Интересно отметить, что примерно такая же технологическая схема литья позже была разработана белорусскими специалистами при производстве стальной и чугунной дроби. При центробежном литье дроби скорость вращения стакана (гранулятора) составляет 1000-1500 об/мин, а размер частиц дроби — от 0,6 до 6 мм [4].
В 2007-2009 годах ЦНИИМ и СПбПУ Петра Великого выполнили НИОКР, в рамках которой была изготовлена лабораторная установка центробежного распыления со скоростью вращения стакана распылителя 15 тыс.
Рис. 3. Опытная установка центробежного распыления ЦНИИМ (а. с. № 863190):
1 — камера; 2 — электропривод; 3 — катки; 4, 5 — сборник порошка; 6 — охлаждающая жидкость; 7 — стакан-распылитель; 8 — литейная воронка; 9 — кварцевая трубка; 10 — центробежный стол
Fig. 3. Pilot installation of centrifugal spraying TSNIIM (a. s. N 863190):
1 — camera; 2 — electric drive; 3 — rollers; 4, 5 — powder collection; 6 — coolant; 7 — a glass spray; 8 — casting funnel; 9 — quartz tube; 10 — centrifugal table
об/мин (рис. 4). Ставилась задача значительно уменьшить средний размер частиц и подтвердить возможность применения приведенной выше формулы для прогнозной оценки среднего размера частиц в условиях центробежного литья. В качестве модельного материала для проведения исследований на установке выбрали олово. Этот выбор обоснован невысокой температурой плавления, а также тем, что плотность олова (7,31 г/см3) близка к плотности сталей. Средний размер частиц олова при скорости вращения 15 тыс. об/мин составил около 100 мкм. Внешний вид порошка показан на рис. 5. Для полученного порошка характерен узкий фракционный состав. Например, фракция 80-130 мкм по массе составляет 45 % от общей массы порошка. Масса фракций порошка с размером менее 35 мкм — 15 %. Насыпная плотность полученного порошка 3,46 г/см3, или 47 % от теоретической. Помимо олова в лабораторной установке распыляли оловянистую бронзу. На рис. 6
Рис. 4. Лабораторная установка центробежного распыления:
1 — расплав; 2 — литейная воронка; 3 — стакан-распылитель; 4 — охлаждающая жидкость; 5 — сборник порошка; 6 — привод сборника порошка; 7 — привод стакана
Fig. 4. Laboratory installation of centrifugal spraying: 1 — melt; 2 — line funnel; 3 — glass spray; 4 — coolant; 5 — a collection of powder; 6 — drive collector powder; 7 — glass drive
приведен внешний вид порошка бронзы (сканирующий электронный микроскоп). В порошке довольно большое количество частиц удлиненной формы, отличной от сферы, причем чем крупнее порошок, тем больше в его составе удлиненных частиц. Наличие несферических частиц объясняется ограниченной массой распыляемого расплава (1,5-2 кг), что
явилось следствием недостатков конструкции лабораторной установки.
Тем не менее проделанные модельные эксперименты подтвердили возможность применения приведенной выше формулы для приближенной прогнозной оценки среднего размера частиц при литье расплава во вращающийся стакан. Средний размер частиц при увеличении скорости вращения стакана с 3 тыс. до 15 тыс. об/мин уменьшился с 500 до 100 мкм. Можно предположить, что для получения порошков для аддитивных технологий со средним размером 25-30 мкм потребуется скорость вращения стакана 40-60 тыс. об/мин.
С учетом полученных в настоящей работе результатов разработана схема промышленной установки центробежного литья (рис. 7). В установке предусмотрена возможность непрерывного подвода охлаждающей жидкости в сборник порошка и вывода из него адекватного объема пульпы с порошком, что обеспечивает высокую производительность процесса. Кроме того, конструкция установки позволяет вести распыление с охлаждением капель расплава на холодном медном экране с получением порошка чешуйчатой формы. Скорость охлаждения порошков-чешуек на экране около 106 К/с. При столь высокой скорости охлаждения возможно получение порошка с особо дисперсной субмикронной и нанокристалли-ческой структурой. Металлические сплавы с подобной структурой обладают исключи-
Рис. 5. Распыленный порошок олова, х10 Fig. 5. Tin powder spray, х10
Рис. 6. Распыленный порошок бронзы с размером частиц менее 100 мкм
Fig. 6. Powdered bronze powder: with a particle size of less than 100 microns
Рис. 7. Эскизный проект промышленной установки (патент № 79817):
1 — камера; 2 — стакан-распылитель; 3 — привод вращения стакана; 4 — сборник порошка с охлаждающей жидкостью; 5 — привод вращения сборника; 6 — съемный медный экран; 7 — заливочная воронка; 8 — калиброванная кварцевая трубка
Fig. 7. A draft design of an industrial installation (patent number 79817): 1 — camera; 2 — glass sprayer; 3 — drives the rotation of the glass; 4 — coolant powder collector; 5 — drives the rotation of the collection; 6 — removable copper screen 7 — casting funnel; 8 — calibrated quartz tube
8
7
6
1
3
тельно высоким комплексом механических и функциональных свойств. На международных выставках в Нюрнберге и Варшаве в октябре—ноябре 2011 года схема установки центробежного распыления отмечена двумя золотыми медалями.
В заключение надо отметить, что в настоящее время разрабатывается проект создания производства дешевых распыленных порошков специальных сталей и сплавов как для традиционных способов горячего прессования (ГИП, экструзия), так и для аддитивных технологий. Для получения таких порошков планируется изготовить установку центробежного распыления, оснащенную высокоскоростным шпинделем с регулируемым числом оборотов (10-60 тыс. об/мин). По предварительным оценкам в такой установке можно получать порошки со средним размером частиц от 200 до 30 мкм. Себестоимость, например, порош-
ков быстрорежущей стали снизится не менее чем в 2 раза.
Автор благодарит А. А. Абрамова, В. Г. Коч-кина, В. Н. Цеменко и других коллег и сотрудников, принимавших участие в исследованиях, описанных в настоящей статье.
Литература
1. Зленко М. А., Нагайцев М. В., Довбыш В. М.
Аддитивные технологии в машиностроении: пособие для инженеров. М.: ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», 2015. 220 с.
2. German R. M. Powder Metallurgy Science. Princton, NY, USA, 1994. 472 р.
3. Центробежное распыление металлических расплавов с охлаждением частиц в жидкой среде / В. Л. Гир-шов, Ю. Н. Сигачев, Е. Д. Орлов, Ю. Л. Сапожников // ПМ. 1985. № 2. С. 1-6.
4. Технология производства литой дроби из Fe-C сплавов / Д. А. Волков, А. П. Мельников, А. Д. Волков, П. С. Гурченко // Литейное производство. 2012. № 1. С. 14-17.
hflt IHLI/UUKIiHIf UIH A
l|H L I^H LL'jJ U Р^ПН DU
new materials and technology
Сведения об авторах
Гиршов Владимир Леонидович — доктор техн. наук, главный научный сотрудник, АО «Центральный научно-исследовательский институт материалов», 191014, Санкт-Петербург, Парадная ул., д. 8, e-mail: [email protected]
Для цитирования: Гиршов В. Л. Центробежное литье металлических порошков // Металлообработка. 2019. № 4 (112). С. 53-58.
UDC 669.14.018 DOI 10.25960/mo.2019.4.53
Centrifugal casting of metal powders
V. L. Girshov
The article points out the shortcomings of the existing technologiesfor producing sputtered metal powders in gas atomizers and installations with the melting of a rotating electrode. A scheme for centrifugal casting of powders from a rotating glass with cooling particles in a liquid medium is proposed. Patented centrifugal casting plants, characterized by small dimensions and simple construction, are described. The results of model experiments on the preparation of tin and bronze powders with an average particle size of 100 ym are given. The conclusion is made about the possibility of obtaining cheap spherical powders with an average size of spherical particles from 200 to 40 microns in an installation with a high-speed spindle for hot pressing and additive technologies..
Keywords: powder metallurgy, centrifugal spraying, special steels, processing equipment.
1. Zlenko M. A., Nagaitsev M. V., Dovbysh V. M. Additive Technologies in Engineering: a Handbook for Engineers. M.: SSC RF FSUE "NAMI", 2015. 220 p.
2. German R. M. Powder Metallurgy Science. Princton, NY, USA, 1994. 472 p.
3. Centrifugal spraying of metal melts with particle cooling in a liquid medium / V. L. Girshov, Yu. N. Sigachev, E. D. Orlov, Yu. L. Sapozhnikov // PM. 1985. N 2. P. 1-6.
4. Production technology of cast shot from Fe-C alloys / D. A. Volkov, A. P. Melnikov, A. D. Volkov, P. S. Gurchenko // Foundry production. 2012. N 1. P. 14-17.
Сontact authors
Girshov Vladimir Leonidovich — Dr. Sci., Professor, Chief Researcher, Central Research Institute of Materials JSC. 191014, St. Petersburg, Paradnaya St., 8, e-mail: [email protected]
For citation: Girshov V. L. Centrifugal casting of metal powders // Metalloobrabotka. 2019. N 4 (112). P. 53-58.
References
