ВСТУП
Як з точки зору економічної, так і екологічної існує потреба у розробці процесу прямого перетворення відходів механічної обробки, таких як дрібна стружка, в порошок, який може бути використаний в порошкової металургії заліза. За оцінкою одна тільки фірма «Форд Мотор Ко» виробляє на різних заводах 105000 т стружки низьколегованої сталі, яка надходить у продаж на ринок як скрапу, використовуваного для завантаження в піч при деяких процесах плавлення.
Глава 1. ПОРОШКОВІ МАТЕРІАЛИ
ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ
Основною сировиною порошкової металургії є порошки чистих металів і сплавів, а також порошки неметалічних елементів. Під терміном «порошкова металургія» відповідно до ГОСТ 17359-82 прийнято розуміти «область науки і техніки, що охоплює область виробництва металевих порошків, а також виробів з них або їх сумішей з неметалевими порошками». Порошкова металургія - один з найбільш прогресивних процесів перетворення металу в виріб, за допомогою якого забезпечуються властивості виробу, отриманого традиційними методами, або властивості, які не можуть бути досягнуті при використанні інших технологічних процесів.
Застосування технологічних процесів порошкової металургії при виготовленні деталей і виробів різного призначення дозволяє різко підвищити коефіцієнт використання металу (КІМ) - до 96-98% за рахунок скорочення відходів при обробці, а також можливого переділу відходів у вихідний матеріал (порошок), в багатьох випадках замінити дефіцитні і дорогі метали та сплави менш дефіцитними і дорогими, знизити енергоємність і трудомісткість виробництва, а отже, зменшити собівартість готової продукції без зниження, а в ряді випадків - навіть при підвищенні її експлуатаційних властивостей.
До хімічних методів отримання порошків належить відновлення оксидів і солей металів твердими або газоподібними восстановителями, дисоціація Карбоніли і нестійких з'єднань, Металлотермія. Велику групу порошків - олово, срібло, мідь і залізо - отримують методами електролітичного осадження металів у вигляді порошку з водних розчинів солей, а також електролізом розплавлених середовищ (тантал, ніобій, уран та ін.)
До механічних методів одержання порошків відносяться подрібнення металу різанням, розмелювання в кульових, вібраційних, конусно-інерційних та інших млинах і дробарках, розпорошення струменів рідкого металу стиснутим пором, газом, водою.
Вибір методу визначається можливістю отримання порошку необхідної якості та економічною доцільністю застосування того чи іншого методу. Найбільшого поширення набули хімічні методи і методи розпилення, які при мінімальних витратах забезпечують отримання цілої гами порошкових металів і сплавів з властивостями широкого діапазону.
Можливість застосування порошку для виготовлення окремих виробів визначається його властивостями, які залежать від методу отримання та природи металу порошку. Металеві порошки характеризуються технологічними, фізичними і хімічними властивостями.
До технологічних властивостей, згідно з ГОСТ 19440-94, відносяться: насипна щільність, що представляє собою масу одиниці об'єму вільно насипаного порошку; відносна щільність - відношення насипної щільності та щільності металу в безпористі стані; плинність - здатність порошку заповнювати певну форму, що виражається через число грамів порошку , що протікає за 1 с через лійку з діаметром вихідного отвору (носика лійки) 2,5 мм; прессуемость (ГОСТ 25280-90) - здатність порошку під тиском стискаючих зусиль утворювати заготівлю заданої форми і розмірів (формуемость) з мінімально допустимої щільністю (уплотняемость) .
До фізичних характеристик порошків відносяться форма і розмір часток порошків. Вони можуть різко відрізнятися за формою (від ниткоподібних до сферичних) і розмірам (від часток до сотень і навіть тисяч мікрометрів). Важлива характеристика порошків - гранулометричний склад, під яким розуміється співвідношення кількості частинок різних розмірів (фракцій), виражене у відсотках. Розміри частинок порошку зазвичай складають 0,1-100 мкм. Фракції порошків розмірами більше 100 мкм називають гранулами, менше 0,1 мкм - пудрою. Визначення гранулометричного складу може проводитися за допомогою просіювання порошку через набір сит (ГОСТ 18318-94). Цей метод можна застосовувати до порошків розмірами більше 40 мкм; для більш дисперсних порошків застосовується метод седиментації (ГОСТ 22662-77) і мікроскопічний аналіз за допомогою оптичного або електронного мікроскопа (ГОСТ 23402-78). Також до фізичних характеристик відноситься питома поверхня порошків, під якою розуміють сумарну поверхню всіх частинок порошку, взятого в одиниці об'єму або маси.
До хімічних характеристик відносяться хімічний склад порошку (як порошку чистого металу, так і порошку сплаву), визначення якого здійснюється за методиками відповідних компактних (беспорістих) металів і сплавів.
До хімічних характеристикам відносять також пірофорність - здатність порошку самозайматися при зіткненні з повітрям - і токсичність - отруйність порошків. Якщо в компактному стані більшість металів нешкідливі, то в порошкової формі, потрапляючи в атмосферу приміщень, вони утворюють аерозолі, які при вдиханні повітря або прийомі їжі можуть викликати хворобливий стан.
Широке застосування мають порошки міді, нікелю та інших металів. Згідно ГОСТ 4960-75 випускаються і застосовуються такі порошки міді: ПМА, ПМАу, ПМС-1У, ПМС-Н і т. д. Хімічні склади цих марок порошків приведені в табл. 21.2. Тут у назві марок дві перші літери позначають порошок мідний (ПМ), такі: С - стабілізований, К - конопаточний, Н - нізкодісперсних; індекси, зокрема у, Н, В та ін - зі спеціальними властивостями. У табл. 21.3 дано області застосування цих порошків.
Мідний порошок не повинен мати сторонніх домішок і грудок і за кольором відповідати зразку, погодженим виробником і споживачем. Питомий електричний опір мідного порошку марки ПМА не повинно перевищувати 25 мкОм м.
1.1 Принципи відбору виробів для виготовлення методами порошкової металургії
У зв'язку з обмеженими можливостями формоутворення деталей при виготовленні їх методами порошкової металургії важливе значення набувають принципи відбору деталей, що переводяться на виготовлення їх методами порошкової металургії. При цьому необхідно враховувати ряд факторів - матеріал, що застосовується при їх виготовленні, режими їх термічної і хіміко-термічної обробок та обробки різанням, умови і режими експлуатації виробу. Одним з визначальних факторів є складність їх форми. Загальні вимоги до форми деталей викладені в ГОСТ 29278-92 («Вироби порошкові. Конструктивні елементи»). Залежно від застосовуваних конструктивних елементів вироби порошкової металургії розрізняють простий, складною і особливо складної форм.
До виробів простої форми відносяться:
вироби без переходів по висоті;
вироби без отвору або з одним отвором і з торцями, обмеженими паралельними площинами.
Додатковими конструктивними елементами виробів простої форми є стінки, фаски, пази і зуби.
До виробів складної форми відносяться:
вироби з одним переходом по висоті, без отвору і з торцями, обмеженими паралельними площинами;
вироби з одним або декількома отворами, з одним переходом по висоті і торцями, обмеженими паралельними площинами.
До виробів особливо складної форми відносяться:
вироби з двома або більше переходами і буртами по висоті, з торцями, обмеженими паралельними або непаралельними площинами, криволінійними площинами;
вироби, обмежені однією або більше конічними, сферичними та іншими криволінійними поверхнями.
Додатковими конструктивними елементами виробів складної та особливо складної форми є стінки, фаски, пази, зуби, бурти, виступи, ухили, поглиблення в торцях.
Залежно від складності форми виробів, відходи при виробництві та витрати на механічну обробку можуть перекривати інші переваги порошкової металургії. Застосування порошкових методів виготовлення виробів буде виправдано тільки тоді, коли в загальній технології виготовлення досягається позитивний економічний ефект або інші методи виготовлення не забезпечують заданих властивостей.
Оцінка економічної доцільності виготовлення виробів простих і складних форм методами порошкової металургії не представляє особливих складнощів і в основному відображає їх серійність. У разі виготовлення виробів особливо складної форми рентабельність виробництва додатково визначається витратами на виготовлення деталей прес-форм, які зростають в міру ускладнення форми порошкових виробів, необхідністю застосування спеціальних пресів, наприклад, пресів з боковим тиском і т. п., підвищеними витратами на механічну обробку . При пресуванні в прес-формах круп-них деталей відносна вартість виробу різко збільшується, тому що потрібно застосування більш потужних (зазвичай гідравлічних) пресів, які, як правило, тихохідні, що знижує продуктивність праці. У зв'язку з тим що при пресуванні порошків застосовуються високі тиску (500-1000 МПа), площа поверхні, на яку прикладається тиск пресування, лімітується розмірами прес-форми й потужністю преса.
Конструктор при проектуванні порошкових виробів повинен враховувати можливі зміни розмірів при пресуванні і спіканні порошкових заготовок, величини яких у більшості випадків визначаються експериментально, і призначати більш жорсткі і легко відтворювані допуски, визначені в ГОСТ 29278-92. Встановлено, що методами порошкової металургії можна одержувати готові вироби без механічної обробки відхиленням перпендикулярно до напрямку пресування в межах від 0,025 до 0,130 мм на довжині 25 мм. Більш жорсткі відхилення можуть бути отримані за допомогою спеціальних методів порошкової металургії - повторного пресування (калібрування) після спікання або динамічного гарячого пресування, гарячої штамповки. Шорсткість пресованих виробів залежить від шорсткості робочих поверхонь деталей прес-форм. Зовнішні поверхні порошкових виробів мають практично ту ж шорсткість, що й робочі поверхні матриці, знаків, сердечників і інших елементів прес-форми.
Порошкові матеріали, використовувані для виготовлення виробів конструкційного призначення, можуть бути розділені на дві групи: 1) для виготовлення виробів з метою заміни звичайних вуглецевих і легованих сталей, чавунів, деяких кольорових металів і сплавів і 2) матеріали зі спеціальними властивостями, отримати які можна тільки при виробництві виробів методами порошкової металургії.
Найбільш характерними деталями першої групи є шатуни, шестерні, храповики, кулачки, ригеля, накидні і спеціальні гайки, важелі і багато інших, які випускаються промисловістю методами лиття та механічної обробки. Виготовлення деталей цієї групи рентабельно тільки при масовому виробництві однакових виробів, оскільки виготовлення прес-форм, встановлення їх на прес і налагодження процесу пресування - тривала і дорога операція. Так, наприклад, якщо продуктивність пресування залежно від типу преса (прес-автомат, механічний, гідравлічний преси) становить від 150-200 до 2000 і більше прессовок в год, то на зміну інструмента (прес-форми) і його наладку витрачається від 1 -2 до 20-30 ч. У зв'язку з цим, прийнято вважати, що виготовлення виробів методами порошкової металургії може бути виправдане в тому випадку, якщо ці вироби складають в серії 10 000-50 000 штук (простий форми), 5000-10 000 штук (складної форми) і 500-1000 штук (особливо складної форми). У деяких випадках виробництво дрібніших партій порошкових виробів пов'язано зі складністю або неможливістю виготовлення виробів традиційними методами, а використовувані порошкові технології знижують собівартість, матеріаломісткість і енерговитрати і підвищують продуктивність праці,
Глава 2. КОНСТРУКЦІЙНІ ПОРОШКОВІ МАТЕРІАЛИ
Залежно від щільності і призначення порошкові матеріали поділяються на дві групи: 1) щільні - матеріали з мінімальною пористістю, виготовлені на базі порошків заліза, міді, нікелю, титану, алюмінію та їх сплавів, і 2) пористі, в яких після остаточної обробки зберігається понад 10-15% пір за обсягом. Перша група матеріалів знайшла широке застосування в машино-та приладобудуванні, автомобільної та авіаційної техніки та інших галузях оборонного і загальногромадянського виробництва. Висока пористість матеріалів другої групи забезпечує придбання ними спеціальних властивостей і дозволяє застосовувати їх для виготовлення спеціальних виробів (виробів антифрикційного призначення, фільтрів, деталей охолодження і т. п.). При виробництві цієї групи деталей застосовуються железографітовие матеріали, бронзи, нержавіючі сталі.
Особливе значення мають інструментальні порошкові матеріали. До їх числа відносяться порошкові швидкорізальні сталі, карбідосталі, тверді сплави, матеріали на основі надтвердих сполук (нітридів, боридів і т. д.) і алмазні матеріали.
2.1 Конструкційні порошкові матеріали на основі заліза
Основним документом, який регламентує марки і властивості застосовуваних у Росії конструкційних матеріалів на основі заліза, є ГОСТ 28378-89. Згідно цим нормативним документом, всі матеріали на основі заліза поділяються на:
стали маловуглецеві, вуглецеві і мідисті;
стали нікельмолібденовие, медьнікелевие, медьнікельмолібденовие;
стали хромисті, марганцовістие, хромнікельмарганцовістие;
стали нержавіючі, призначені для деталей, що застосовуються в різних галузях техніки.
Класифікація порошкових сталей підкоряється тим же правилам, що і прийнятим для сталей традиційних методів отримання. Проте на додаток до звичайних методів класифікації - за рівноважної структурі, за структурою, отриманої при нагріванні вище точки охолодженні на спокійному повітрі і т. п. - для порошкових сталей існує ще один спосіб класифікації. В залежності від об'ємного вмісту пір порошкові сталі підрозділяються на непроникні (вміст пір менше 5-8%), напівпроникні (від 8 до 14% часу) і проникні (пористість більше 12-14%). За технологією виробництва їх можна підрозділити на: одноразово і багаторазово пресовані в умовах статичних навантажень у закритих прес-формах при звичайних і високих температуpax; стали, отримані при поєднанні холодного пресування і спікання високопористих заготовок з наступним динамічним гарячим пресуванням або гарячої штампуванням; отримані екструзією, прокаткою, вибуховим пресуванням і т. п.
Конструкційні порошкові сталі - це спечені матеріали, використовувані для заміни литих і кованих сталей при виготовленні деталей машин і приладів методами порошкової металургії. Умовне позначення таких матеріалів складається з букв і цифр, наприклад: сталь порошкове конструкційна медьнікелевая із середньою масовою часткою вуглецю 0,4%, нікелю 2%, міді 2% і мінімальною щільністю 6400 кг / м 3 відповідно до ГОСТ 28378-89 матиме наступне позначення: ПК40Н2Д2-64.
Букви в марці стали вказують: П - на приналежність матеріалу до порошкового, К - на призначення матеріалу - конструкційний, інші літери і цифри - на утримання тих чи інших легуючих елементів (Д - мідь, Х - хром, Ф - фосфор, К - сірка , М - молібден, Г - марганець, Т - титан, Н - нікель). Основу матеріалу - залізо - в позначенні марок не вказують. Цифри, що стоять за буквами ПК, вказують на середню масову частку вуглецю в сотих частках відсотка. Масову частку вуглецю, що дорівнює 1%, в позначенні марки матеріалу, згідно з ГОСТ 28378-89, не вказують. Цифри, що стоять за іншими буквами, означають зміст легуючих елементів у відсотках; відсутність цифри вказує на те, що масова частка легуючого елемента не перевищує одного відсотка.
Умовне позначення конструкційного порошкового матеріалу складається з позначення його марки - ПК40Н2Д2-64 і через дефіс - його мінімальній щільності - 6400 кг / м 3.
Основою порошкових сталей служить залізо, властивості якого при спіканні дуже впливають на формування структури і властивостей сталі. Поряд з порошковими сталями порошкові вироби можуть виготовлятися на основі одного залізного порошку, а також заліза, легованого іншими елементами.
Застосування як вихідного матеріалу чистого залізного порошку при виготовленні конструкційних деталей обмежено через низькі міцнісних властивостей спеченого заліза. В основному воно застосовується для виготовлення ненавантажених деталей, різних ущільнювальних виробів і т. п. Властивості таких виробів залежать від їх щільності, величини і характеру міжчасткових кордонів, методу отримання порошку, гранулометричного складу, питомої поверхні частинок, внутрішньої їх пухкості, технології пресування (величини тиску і швидкості пресування), кратності пресування, температури і часу спікання.
Для отримання практично беспорістих виробів з підвищеними механічними властивостями застосовують гаряче ізостатичного пресування-екструзії, динамічне гаряче пресування.
У зв'язку з низькою міцністю і твердістю спеченого заліза, для підвищення його механічних властивостей в залізний порошок при приготуванні порошкової суміші вводять легуючі добавки (фосфор, мідь, хром, нікель, молібден), а спечені вироби піддають хіміко-термічній обробці: Азотування, сульфідування, хромуванню.
Мідь у залізні вироби вводять безпосередньо у вигляді порошку або при виготовленні порошкової суміші у вигляді лігатури. Введення міді в кількості 1,0-10 мас. % Збільшує межа плинності і тимчасовий опір матеріалу, але трохи знижує його пластичність і в'язкість. Введення міді істотно підвищує опірність порошкового матеріалу атмосферної корозії. Максимальна міцність на розрив досягається при масовій частці міді 5-7%. Мідь знижує усадку матеріалу при спіканні. При введенні 2-3% міді спікання відбувається практично без зміни розмірів виробу, що дозволяє уникнути або істотно знизити обсяг його подальшої механічної обробки. Збільшення масової частки міді понад 3% супроводжується зростанням виробів при спіканні, зростання досягається при введенні 8% міді.
Широке застосування знайшли железонікелевие і железонікельмедние сплави. Присадка до чистого залозу 5% нікелю підвищує міцність і твердість матеріалу, залишаючи його пластичність практично без змін. При одночасному легуванні нікелем і міддю (Ni - 4% і Сі - 2%) міцність на розрив зразків з пористістю 10% сягає 400-420 МПа, подовження -7-8%, твердість - 120-127 НВ. Такі ж зразки, леговані тільки 2% міді, показують такі властивості при 10% пористості: міцність на розрив - 280-300 МПа, подовження - 3-4%, твердість - 100 НВ. Найбільш сприятливе поєднання міцності і пластичності спостерігається в сплавах містять від 1 до 5% кожного з цих елементів.
У зв'язку з порівняно низькою міцністю і твердістю спечених залізних виробів, основна маса порошкових матеріалів на базі заліза додатково легується вуглецем, під дією якого спечені залізо набуває здатності загартовуватися і у багато разів підвищувати свою твердість і міцність.
Вуглецеві порошкові сталі і сталеві вироби можуть бути отримані безпосереднім введенням в залізний порошок вуглецю у вигляді графіту, сажі або чавунного порошку, а також шляхом науглероживания виробів у процесі спікання або цементації після спікання. Найбільш поширений метод введення в порошкову суміш графіту. Однак через нерівномірний розподіл графіту за обсягом суміші при змішуванні сталеві вироби в спечених стані відрізняються непостійністю властивостей і структурних складових. Найбільш насичені вуглецем мікрооб'ємів аустеніту розташовуються поблизу графітових включень, що сприяє появі в структурі спеченої стали вільного надлишкового цементиту і фериту в співвідношеннях, які не відповідають діаграмі стану залізо-вуглець.
При спіканні железографітових виробів графіт частково вигоряє. Для зменшення вигоряння застосовують графітосодержащіе засипки, углеродсодержашіе середовища. Крім цього при приготуванні порошкової суміші до її складу додатково вводять надмірна кількість графіту. Так, для отримання сталевих порошкових виробів з 0,4-0,45% вуглецю при спіканні в атмосфері конвертованого природного газу в суміш необхідно вводити до 0,85% графіту. При застосуванні ендогаза з точно регульованим потенціалом по вуглецю зміст графіту в суміші має перевищувати задане на 0,3-035%. У зв'язку з цим при приготуванні сталевих виробів в порошкову суміш замість графіту часто вводять сажисті залізо і порошок із чавунної стружки. Більш висока щільність сажистий заліза і порошку чавунної стружки в порівнянні з графітом дозволяє отримувати більш однорідну суміш, що забезпечує стабільність структури і властивостей вироби.
До основних факторів, що визначають структуру і властивості порошкових вуглецевих сталей, відносяться температура, час і середовище спікання. При вмісті в суміші до 1,0-1,2% графіту оптимальна температура спікання становить 1150-1200 ° С, при утриманні графіту вище 1,2-1,5% - 1050-1150 ° С. Час спікання визначається масштабом садки і масою виробу.
Мідь у порошкові сталі (табл. 21.6) вводиться у вигляді порошку чистої міді, обміднений графіту, шляхом просочення спечених заготовок. У перших двох випадках при спіканні мідь, маючи температуру плавлення 1083 ° С, знаходиться в рідкому стані і взаємодіє з залізом, утворюючи твердий розчин заміщення на основі -заліза з максимальною концентрацією міді в розчині до 8%.
Мідь знижує концентрацію вуглецю в перліті, зрушуючи точки S і Е на діаграмі залізо-вуглець (див. гл. 1) вліво. При вмісті в сталі до 1% міді вона сприяє усадці при спіканні, при подальшому підвищенні її концентрації спостерігається зростання спеченого вироби. Підвищення в порошкових сталях вуглецю зменшує вплив міді на зростання спеченого вироби, що досягається освітою в структурі сплаву потрійний железомедноуглеродістой фази, яка розплавляючись при 1100 ° С, викликає усадку. Введення вуглецю в железомедние сплави також різко підвищує міцність порошкових виробів, причому максимальне зростання властивостей спостерігається при вмісті міді до 5-6% і вуглецю до 0,3-0,6%. Великий вплив на властивості спечених виробів з мідистих сталі має метод введення міді. Більш високі властивості досягаються при використанні обмідненої графіту.
Введення нікелю в порошкові стали призводить до підвищення механічних властивостей матеріалу, що пов'язано як з підвищенням міцності фериту, так і сприятливим впливом нікелю на стан міжчасткових кордонів. Нікель сприяє «розсмоктуванню» міжчасткових кордонів, збільшення протяжності металевого контакту, підвищує усадку і щільність виробів.
Відмінною особливістю хрому є висока стійкість його оксидів, температура дисоціації яких майже досягає температури плавлення чистого хрому. Це ускладнює процес спікання, особливо коли хром вводиться в суміш у вигляді чистого порошку хрому. Наявність оксидів ускладнює дифузійні процеси, а саме спікання необхідно проводити при високих температурах в остроосушенних відновлювальних середовищах (водні, дисоційованому аміаку). Тому структура спечених хромсодержащих сталей відрізняється підвищеною гетерогенністю і наявністю фаз, які за середнім складом матеріалу не відповідають рівноважної діаграмі його стану.
До числа основних характеристик, що визначають можливість переведення виготовлення деталей з традиційних технологій на порошкові, відносяться точність виробництва і механічні властивості порошкових матеріалів.
Точність виготовлення порошкових деталей визначається в основному точністю пресового обладнання, стабільністю пружних післядії при холодному пресуванні і об'ємних змін при спіканні, зносом прес-форм, зростанням лінійних розмірів напівфабрикатів і виробів при зберіганні.
Точність розмірів холоднопрессованних брикетів при ущільненні «по тиску» відповідає для висотних розмірів 12-14 квалітетами, для діаметральні - 6-8 квалітетами; при ущільненні з обмежувачем для висотних розмірів - 12 квалітету, для діаметральні 8-11 квалітетами.
Спікання призводить до зниження точності вироби на 1-2 квалітету. Для підвищення точності пористих конструкційних виробів застосовують калібрування заготовки шляхом обтиснення у калібрувальних прес-формах при припуску 0,5-1,0%. Зусилля калібрування становить 10-25% зусилля холодного пресування. Пружне розширення після калібрування сягає 0,1%.
Точність лінійних розмірів виробів після гарячого штампування в основному визначається точністю прес-інструменту.
Глава 3. ПРИКЛАДИ видобування заліза з ВИРОБНИЧИХ ПРОЦЕСІВ
3.1 Витяг заліза з використаних автомобільних шин
Схема споживання первинних н вторинних залізовмісних матеріалів при виробництві заліза і сталі в США в 1976 р. (у мільйонах американських тонн заліза, 1 т = 907,2 кг)
1 - установка для агломерації залізної руди, 2 - колошниковий пил (доменних печей), 3 - шлак (сталеплавильних печей), 4 - окалина (прокатних станів), 5 - первинна руда, 6 - установка прямого відновлення; 7 - шлаковий скрап (сталеплавильних печей); 8 - інший скрап (сталеплавильних печей і прокатних станів); 9 - Доменні печі; 10 - сталеплавильні печі
3.2 Залізний порошок з відходів механічної обробки
Як з точки зору економічної, так і екологічної існує потреба у розробці процесу прямого перетворення відходів механічної обробки, таких як дрібна стружка, в порошок, який може бути використаний в порошкової металургії заліза. За оцінкою одна тільки фірма «Форд Мотор Ко» виробляє на різних заводах 105000 т стружки низьколегованої сталі, яка надходить у продаж на ринок як скрапу, використовуваного для завантаження в піч лри деяких процесах плавлення. Однак застосовність такої сировини обмежується високим співвідношенням його обсягу до маси й присутністю залишків машинного масла.
Різні компоненти сплавів, присутні в стружці, являють собою джерело цінних елементів, звичайно в тому випадку, якщо є економічні методи їх вилучення. У процесі плавлення більшість компонентів сплавів окислюється і втрачається зі шлаком. Безпосереднє перетворення тирси в порошок без проміжної плавки є більш чистим процесом, не забруднюють навколишнє середовище і дозволяє досягати 100% виділення цінних компонентів. Цей процес є також більш економічним, оскільки при існуючих ринкових цінах виробництво порошку з тирси призводить до отримання значного прибутку. Однак здійснювані дотепер спроби застосування залізного порошку, виробленого з тирси, в стандартних процесах порошкової металургії не увінчалися успіхом.
Для вирішення зазначеної проблеми призначений процес, який полягає у впливі удару на металургійну стружку при температурах нижче температури переходу від пластичного до крихкого стану, в результаті чого відбувається утворення металевого порошку. Металеву стружку піддають дії удару на двох стадіях (наприклад з використанням кульового млина).
Зазвичай в якості сировини використовують стружку з відношенням площі поверхні до об'єму не менше 60: 1. Як сировина може бути також використаний і дрібний скрап-частинки шириною 0,25-2,5 см, товщиною 0,15-0,8 мм і довжиною 2,5-250 см. Стружку, що має високе відношення поверхні до об'єму, як правило, в електричній печі не плавлять зважаючи на низьку ефективність цього процесу.
Можна також переробляти скрап з великим розміром частинок, хоча при товщині металу більше 0,8 мм виникають істотні труднощі при подрібненні, що призводять до підвищення капіталовкладень в процес. Використовувані частки скрапу повинні мати приблизно однаковий хімічний склад; найкраще використовувати скрап, що отримується в результаті обробки однієї і тієї ж партії металу.
Частинки сировини 1 по лінії 4 подають в кульову млин 3 або на інший пристрій для подрібнення. При подачі сировини додається заморожуючий агент 5, наприклад рідкий азот, який розбризкується безпосередньо на частки металу. У результаті контакту з рідким азотом металеві частинки миттєво замерзають. Подача рідкого азоту на сировину здійснюється рівномірно на всьому його шляху до місця подрібнення.
При обертанні корпуса млина 2 залізні кулі розбивають заморожені частки металу 7 і подрібнюють їх в порошок. Цей процес досить тривалий. Одержуваний порошок 8 звичайних складається з дрібної і більш грубою фракцій. Частинки в обох фракціях мають конфігурацію зерен або пластинок.
Другу стадію подрібнення як правило також проводять в кульовий млині, але при кімнатній температурі. Мелють елементи 9 представляють собою тверді кулі діаметром ~ 1,2 см з антиокислювальним залізним або мідним покриттям. Покриття повинні відповідати наступним вимогам: 1) мати меншу твердість, ніж покриваються порошок, щоб при ударі частки кульових елементів переходили на порошок, 2) повністю розчинятися в металі, з якого складаються частинки порошку; 3) легко очищатися, 4) володіти антиокислювальними властивостями.
Були проведені експерименти з використанням циліндричної камери 7,5 х 15 см; обсяг завантаження порошку становив ~ 15 см 3, час подрібнення 48 ч. Час і швидкість подрібнення залежать від обсягу млини, діаметра залізних або мідних мелють елементів і швидкості обертання. На другій стадії подрібнення досягаються дві мети: створюється антиокислювальна покриття на кожній частці порошку і проводиться холодна обробка великих часток. При ударі частки міді або заліза, що входять до складу кульових мелють елементів 9, переносяться практично на кожну частку порошку 8, створюючи на ній захисну оболонку. Дрібні частинки порошку при терті про кульові елементи соскребают з них мідь чи залізо і таким чином також набувають захисну оболонку. Діаметр куль 9 повинен щонайменше в 50 разів перевищувати максимальний розмір будь-якої з частинок криогенного порошку 8.
В результаті подрібнення також відбувається штучне утворення дефектів кристалічної решітки практично у всіх частках порошку, що мають розмір понад 124 мкм. Подрібнення слід проводити таким чином, щоб практично кожна велика частка мала хоча б один дефект кристалічної решітки. Ця мета досягається обертанням корпусу 2 з такою швидкістю, щоб стираються сила, що діє на кульові елементи, мала певний заданий значення.
Порошок, отриманий на другій стадії подрібнення, пресують звичайним пресом 10 до отримання заданої щільності, бажано 6,6 г / см 3. Для цього необхідно пресувальне зусилля 3,3-3,9 МПа. Наявність мідної або залізниці оболонки на частинках порошку полегшує пресування. Для отримання щільності 6,4 г / м 3 при пресуванні порошку без покриття потрібно зусилля 4,3 МПа; при пресуванні порошку з покриттям при дії тієї ж сили досягається щільність 6,6 г / см 3.
Форма для пресування 11 виготовляється з відповідним допуском на усадку продукту пресування. Величина усадки може контролюватися в межах 0-15%. Форма для пресування / / подається в піч 12 для спікання, де нагрівається при високій температурі, наприклад у випадку криогенного порошку на основі заліза до 1100-1150 ° С. Температура, до якої нагрівається порошок, повинна щонайменше перебувати в області пластичності металевих компонентів порошку (зазвичай нагрівання проводять до температури спікання). У печі бажано створювати захисну атмосферу, використовуючи для цієї мети інертні гази чи гази-відновники.
При температурі спікання відбувається дифузія атомів між частинками порошку, особливо в місцях контакту твердих часток. Атоми однієї частки переходять і заповнюють дефекти кристалічної решітки в іншій контактріуемой з нею частці. Дефекти кристалічної решітки утворюються в результаті холодної обробки на попередній стадії. Наявність дефектів збільшує швидкість дифузії більш ніж в 100 разів. Підраховано, що щонайменше 60% загального поліпшення фізичних властивостей в результаті спікання обумовлено попередньої контрольованої холодною обробкою грубих частинок порошку. Підвищення швидкості дифузії призводить до збільшення усадки.
Оболонка з заліза або міді, створювана на частинках порошку, перешкоджає окисленню містяться в них компонентів, зокрема таких як марганець і кремній. При використанні кульових млинів зі стандартними параметрами (розміри млини і куль, швидкість обертання), як показують розрахунки, практично кожна частка криогенного порошку буде покрита непроникною оболонкою з міді або заліза. Однак для поліпшення властивостей одержуваного продукту немає необхідності в тому, щоб ця оболонка була повністю непроникною.