» » Металлические гранулы и методы их производства
16.12.2014

Металлические гранулы (литая дробь) являются одним из наиболее доступных и эффективных армирующих элементов для получения литых износостойких макрогетерогенных композиционных материалов. Структура таких материалов состоит из чередующихся участков отдельных компонентов, выполняющих различное функциональное назначение: армирующих гранул, обеспечивающих высокую несущую способность и износостойкость; литой пластичной матрицы, образующей экранирующие пленки на сопряженных поверхностях, способствующие уменьшению потерь на износ при трении. В качестве армирующих элементов в литых макрогетерогенных композиционных материалах используется литая стальная или чугунная дробь различного состава, гранулы и частицы твердых сплавов, металлокерамики, керамики и др.; в некоторых технологиях для формирования пластичной матрицы применяются гранулы цветных сплавов на основе алюминия или меди.
Наибольшее распространение нашли способы получения гранул диспергированием металлических расплавов. Технологические методы диспергирования можно подразделить на следующие основные виды: механическое дробление струи жидкого металла; диспергирование с помощью центробежных сил; диспергирование потоками энергоносителя или форсуночное распыление.
Механическое дробление струи осуществляется в результате удара расплавленного металла о твердую поверхность (барабан, диск, лопасть крыльчатки и т. д.). Устройства, основанные на применении данного способа, как правило, включают промежуточный ковш или тигель с одним или несколькими отверстиями для формирования струи расплава определенного диаметра и инструмента (твердую поверхность), о который дробится струя расплава. Полученные капли расплава после удара о твердую поверхность формируются под действием сил поверхностного натяжения, охлаждаются в полете и в охлаждающей жидкости бассейна-охладителя.
Диспергирование струи с помощью вращающегося барабана в нашей стране является основным способом получения чугунной дроби.
Центробежное диспергирование имеет несколько промышленных вариантов: осуществляется с помощью вращающегося тигля (чаши) или перфорированного стакана; вращением расходуемого электрода и др. По данным авторов работ, при диспергировании центробежным способом получают чугунную дробь более однородную по гранулометрическому составу, чем при литье на барабан. При этом отмечено сокращение выхода мелкой и крупной некондиционной дроби. Однако можно отметить, что на практике метод центробежного диспергирования пока не нашел широкого применения для получения дроби из чугуна и стали, а используется в основном для изготовления гранул из цветных и других нежелезных сплавов.
На использовании центробежных сил основан также метод диспергирования вращением плавящегося электрода. Метод разработан сравнительно недавно в связи с новым перспективным направлением изготовления композиционных жаропрочных материалов из гранул тугоплавких металлов и сплавов методом изо-статического прессования. Принцип действия установки центробежного диспергирования с расплавлением электрода плазменной другой описан в работе.
Достоинства метода заключаются в возможности получения гранулированного металла высокой чистоты и усредненного химического состава. Основные недостатки — низкая производительность, высокие требования к качеству расходуемых электродов, невозможность перегрева расплава и, следовательно, полного исключения влияния структурной наследственности и химической неоднородности материала расходуемого электрода. Этот метод рекомендуется применять для получения гранул из титановых расплавов и тугоплавких сплавов в вакууме.
Одним из наиболее распространенных методов получения металлической дроби является метод диспергирования энергоносителем. Как показал производственный опыт, этот метод имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с ранее рассмотренными, в том числе сравнительно малые энергетические затраты, высокую производительность и технологичность процесса, широкие возможности автоматизации. Этот вид распыления особенно эффективен при получении дроби многокомпонентных сплавов, так как он обеспечивает равномерное распределение всех компонентов в объеме каждой частицы и позволяет получать дробь (порошок) требуемого качества.
Основные технологические схемы распыления жидких металлов имеют горизонтальное или вертикальное расположение форсуночных устройств (рис. 20).
Схему с вертикальным расположением форсуночных устройств обычно применяют при распылении свободно истекающей струи для получения дроби и порошков металлов и сплавов, имеющих температуру ликвидуса выше 700 °C (рис. 20, а). Эта схема наиболее универсальна, обеспечивает высокую производительность процесса (до 10 т гранул в 1 ч), позволяет создавать компактные дробелитейные установки с вертикальной камерой распыления и этажным расположением технологического оборудования. В качестве диспергирующего агента схема позволяет применять разнообразные энергоносители: воздух, воду, инертные газы, пар, паровоздушную смесь и др.
При осуществлении этого метода (рис. 20, а) распиливающий агент подводят через специальные отверстия в трубопроводе 2 и обеспечивают встречу потоков энергоносителя со струей жидкого металла 1 на некотором расстоянии от уровня истечения металла под определенным углом распыления. Разрушение струи металла происходит за счет кинетической энергии энергоносителя и имеет весьма сложный механизм, в котором участвуют силы поверхностного натяжения расплава, внешнего трения и давления, создаваемого энергоносителем, неоднородное внутреннее трение в струе расплава, колебательные воздействия потока энергоносителя и др. Некоторые аспекты дробления струи газовым потоком и формирования гранул рассмотрены в монографиях. Укажем на главные особенности и достоинства данной схемы. Применение современных плавильных агрегатов (ВДП, ЭШП, плазменной плавки и т. д.) позволяет получать исходные расплавы высокой чистоты с оптимальными физическими и технологическими свойствами. Такие высокоперегретые расплавы характеризуются высокой склонностью к распылению с образованием гранул различной формы (сферической, осколочной).
Металлические гранулы и методы их производства

Схема позволяет в широких пределах изменять интенсивность охлаждения распыленных частиц за счет применения специальных хладагентов, подаваемых в зону распыления, охлаждения и кристаллизации частиц во время свободного полета до закалочной ванны, тем самым получать более дисперсную и однородную структуру гранул. Изменением условий теплообмена жидких частиц можно варьировать скорость охлаждения с 10в3 до 10в10 °С/с.
По этой схеме серийно получают порошки коррозионностойких и инструментальных сталей, жаропрочных сплавов на основе никеля и хрома, ферросплавов, магнитных сплавов и др. С использованием этой же схемы производят в промышленных масштабах литую стальную дробь, порошки железа, углеродистой стали и чугуна (с последующей децементацией порошка-сырца).
Схема диспергирования расплава с горизонтальным расположением форсунок применяется для получения дроби из высокоуглеродистой стали распылением водой при давлении 1—2 МПа (рис. 20, б). Распыление водой высокого давления (15—20 МПа) применяется для получения порошков коррозионностойких сталей, порошков железа, углеродистой стали и чугуна. Благодаря определенной форме сопла 2 водяной поток истекает из него «желобообразным» веером. Нижняя поверхность потока формируется направляющим лотком 3, выполненным из стального листа. Высокая плотность воды обусловливает сохранение высоких скоростей водяной струи на расстоянии 200 мм и более от сопла форсунки, что позволяет в широких пределах менять взаимное расположение струи металла и водяных струй. Благодаря этим факторам жидкий металл пробивает струю воды и полностью разбивается на мелкие агрегаты-капли, которые затем окончательно охлаждаются и затвердевают в бассейне-охладителе.
В Институте проблем литья АН Украины разработаны технология и комплексы оборудования модели «Град» для получения литой металлической дроби производительностью от 400 до 5 тыс. т в год.
Металлические гранулы и методы их производства

Техническая характеристика дробелитейных комплексов «Град» различных модификаций приведена в табл. 4. Рассмотрим конструкцию установки производительностью 5 тыс. т дроби в год и принципиальную технологическую схему ее производства (рис. 21). Первая группа — агрегаты распыления и грануляции, производительность которых зависит от скорости распыления разовой порции жидкого металла. Вторая группа включает оборудование, размещенное между станцией выема и бункером-накопителем (за каскадным грохотом). Скорость обработки дроби в агрегатах второй группы регламентирована производительностью станции выема. Скорость прохождения агрегатов третьей группы (термических печей) лимитирует общую производительность дробелитейного комплекса.
Металлические гранулы и методы их производства

Комплекс работает следующим образом: жидкий металл из чайникового или стопорного ковша сливается в металлоприемник 1, затем сформированная литниковый каналом плоская струя металла под воздействием потока энергоносителя гранулируется, как это было показано ранее.
Камера распыления 16 конструктивно выполнена в виде цилиндра диаметром 3 м, перекрытого в верхней части, где расположена горловина распылительного устройства, смотровые окна для наблюдения за процессом распыления и патрубок для отсоса паров. Камера оборудована устройством для облива стенок потоком (пленкой) воды, препятствующей налипанию капель металла на внутреннюю поверхность камеры распыления. Для удобства монтажа камера выполнена из трех секций. Высота камеры, равная 6—10 м, принимается с учетом результатов кинетики затвердевания дроби. Бассейн-охладитель установлен в приямке (глубиной 4,5 м). Бассейн, служащий резервуаром для охлаждающей жидкости, конструктивно выполнен в виде параллелепипеда, имеющего внутреннюю коническую полость с вершиной, обращенной вниз, переходящей в выпускной патрубок. Коническая полость оборудована съемной решеткой с ячейками 40x40 мм для задержки скрапин размером более 40 мм. Решетка периодически очищается от скрапин.
Во время работы вода через систему облива стенок камеры распыления вместе с дробью попадает в гранулятор и сливается через край в общий резервуар, где охлаждается путем смешивания с основной массой воды. Из гранулятора дробь извлекается электромагнитной шайбой 2 и через промежуточный бункер-дозатор — на скрапной грохот 3. Скрап после грохочения подается в специальный контейнер 5 и направляется на переплав, а кондиционная дробь в барабанное сушило 4. Температура сушки 180—250 °С, после сушки дробь охлаждается по мере прохождения по шнековому транспортеру 14, имеющему водяную рубашку, поступает в элеватор 5. Затем на каскадном грохоте 7 дробь рассеивается на фракции. Некондиционные гранулы направляются в контейнер 12, а кондиция собирается в бункерах-накопителях 5, после чего дробь подается с помощью питателей 6 и 9 в отпускные термические печи 10. Оттуда с помощью шнековых или вибропитателей дробь направляется на каскадные грохота 11 для окончательного рассева. После этого готовая дробь накапливается в бункерах готовой продукции, откуда по мере необходимости отбирается в транспортные контейнеры 13.
Если потребность в дроби сравнительно невелика (50—400 т/год), то организовать ее производство при наличии плавильных агрегатов можно, изготовив малогабаритную установку, разработанную в ИПЛ АН Украины «Град-6», или комплекс оборудования на ее основе.
Комплекс подразделяется на две функциональные группы (рис. 22). В первую группу входят плавильный агрегат, например, тигель высокочастотной плавильной становки ИСТ-016У4, механизм поворота тигля и дробелитейная установка «Град-6». Во вторую — перегрузочный контейнер, сушилка, вибросито и транспортные тележки готового продукта и отходов.
Металлические гранулы и методы их производства

Малая металлоемкость и простота конструкции агрегатов комплекса позволяют изготовлять его с небольшими капитальными затратами даже в условиях сравнительно маломощных предприятий. Малая энергоемкость и простота эксплуатации обусловливают низкие эксплуатационные расходы, позволяют обходиться небольшим количеством обслуживающего персонала.
В табл. 5 приведены типы металлической дроби, выпускаемой в России ГОСТ 11964—81 регламентирует требования к дроби, предназначенной для дробеметной и дробеструйной очистки отливок, поковок, стального проката; для поверхностного упрочнения тяжелонагруженных деталей типа валов, рессор, пружин, зубчатых колес; для насечки (дрессировки) валков прокатных станов и других технологических операций. Требования к металлической дроби, применяемой в качестве инокулятора при суспензионной заливке, гранулята при сварке и наплавке, а также в качестве армирующей фазы в макрогетерогенных композиционных материалах и для некоторых других нужд в ГОСТе не оговорены, а устанавливаются соответствующими техническими условиями или стандартами предприятий (отраслей).
Металлические гранулы и методы их производства
Металлические гранулы и методы их производства

Поэтому здесь особенно важно наряду о качественными характеристиками дроби, выпускаемой в промышленных масштабах, осветить основополагающие требования к качеству металлической дроби, используемой в качестве армирующего элемента при получении литых макрогетерогенных композитов (рис. 23).
Металлические гранулы и методы их производства

Качественная литая дробь должна иметь однородные плотные гранулы и не содержать инородных примесей. Допустимое содержание дроби с отклонением от формы, с усадочной рыхлотой, раковинами и трещинами указано в табл. 6. Засоренность дроби инородными частицами не должна быть более 0,5 % от общей массы. Для защиты от коррозии дробь литая и рубленная подвергается пассивации или антикоррозионному покрытию. На рис. 24 показаны типичные литейные дефекты литых гранул.
Металлические гранулы и методы их производства

Проведенные исследования и опытно-промышленные работы позволили сформулировать следующие основные общие требования к гранулам, как к армирующим элементам.
1. По химическому составу инокуляторы должны отвечать сортаменту, установленному в зависимости от решаемой конкретной технологической задачи.
2. Материал армирующей дроби должен быть чистым по примесным элементам (сера, фосфор и др.) и неметаллическим включениям, поскольку они способствуют снижению физико-механических свойств гранул.
3. Фракционный состав дроби обычно устанавливают в пределах 0,5—2,0 мм. Металлографическое исследование изломов ударных образцов показало, что в случае мелкой фракции (0,63—1,0 мм) разрушение композита происходит по пластичному материалу матрицы: излом мелкозернистый, цвета бронзы. В случае крупных гранул (1,5—2,0 мм) образцы разрушаются по дробинкам: излом серый, крупнозернистый. Средняя фракция дает промежуточные результаты.
4. Форма частиц должна быть компактной: сферической или близкой к сфере (фактор формы — не менее 0,8), так как от формы гранул зависят реологические свойства гетерогенного расплава; плотность и характер упаковки дроби в литейной форме, форма, размеры и количество образующихся полостей, характер движения жидкости при пропитке, а следовательно, конечные параметры композита.
5. Гранулы должны быть сухими, с чистой поверхностью, без окалины и ржавчины. He допускается засоренность инородними включениями — шлаком, сплавом другого химсостава и т. д. Влажность армирующих частиц не должна превышать 0,25 %.
6. Упаковка, маркировка и хранение дроби должны соответствовать ГОСТ 9849—79. Массу отдельных партий дроби и объем единичной тары устанавливают из условия технологичности и удобств транспортировки, хранения и использования. При этом недопустимо окисление и загрязнение дроби.
Металлические гранулы и методы их производства