Химические свойства металлических порошков. Нормативная база. Области применения

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

 

ИНСТИТУТ  новых материалов и  нанотехнологий

КАФЕДРА  функциональных наносистем и высокотемпературных материалов

специальность  200503

 

 

 

 

РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:

«Химические свойства металлических порошков. Нормативная база. Области применения»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва, 2013 г.

 

Содержание

		Введение	3
1		Химические свойства металлических порошков	4
2		Химические особенности  металлических порошков	7
	2.1	Воспламеняемость металлических  порошков	7
	2.2	Взрываемость металлических  порошков	13
	2.3	Токсичность металлических  порошков	16
3		Область применения	17
		Заключение	19
		Список использованной литературы	20
		Нормативно-техническая  литература	21
		Приложение А	22

 

 

Введение

Металлический порошок  представляет собой совокупность частиц металла, сплава или металлоподобного соединения, находящихся в контакте и не связанных между собой. Лигатурами называются вспомогательные сплавы, применяемые для введения в состав металлических сплавов легирующих элементов для придания сплавам определённых физических, химических или механических свойств.

Металлические порошки  принято характеризовать  химическими, физическими и технологическими свойствами, знание которых позволяет создать объективное представление о рассматриваемой совокупности огромного числа частичек вещества и является необходимым условием для правильной организации технологических процессов в производствах порошковой металлургии. Основные характеристики порошков, наиболее важные для их последующего применения, регламентированы ГОСТами и отраслевыми техническими условиями. В данной работе мы рассмотрим химические свойства металлических порошков, которые являются не менее важной частью составляющей характеристик металлического порошка.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Химические свойства металлических порошков

 

Оценивая пригодность порошка  для изготовления из него материалов и изделий, прежде всего, интересуются содержанием основного металла (основных компонентов для порошков сплавов или соединений металлов), примесей, различных металлических загрязнений и газов. Химический состав порошка зависит в основном от метода его производства, а также от степени чистоты исходных материалов. Химический анализ производят по методикам в соответствии с ГОСТами или утвержденной в установленном порядке нормативно-технической документацией; большинство таких методик аналогично применяемым для анализа состава литых металлов и сплавов.

Содержание основного металла  в порошке или сумма основных компонентов сплава составляет обычно более 98-99%, что для последующего изготовления большинства порошковых материалов достаточно. В некоторых случаях при производстве изделий с особыми свойствами (например, магнитными) применяют более чистые металлические порошки.

Предельное количество примесей в  порошках определяется допустимым содержанием  их в готовой продукции. Исключение сделано для термодинамически малопрочных оксидов железа, меди, никеля, вольфрама и некоторых других металлов, которые при нагреве в присутствии восстановителя легко образуют активные атомы соответствующего металла, что приводит к улучшению спекаемости в целом. Поэтому содержание в металлических порошках таких оксидов может быть довольно большим и составлять 1-10%, что соответствует  0,2-1,5% кислорода. Наличие в порошке трудновосстанавливаемых оксидов хрома, марганца, кремния, титана, алюминия и других крайне нежелательно, так как они затрудняют в последующем и прессование (формование) порошка, и спекание получаемых заготовок. Естественно, речь идет не о тех случаях, когда присутствие указанных оксидов придает специальные свойства материалам (дисперсно-упрочненные материалы, керметы и др.). Определение кислорода в порошках может быть качественным (по ГОСТ 18897-73 определяют потерю массы порции порошка при ее накаливании в атмосфере сухого водорода по режимам, приведенным в Табл. 1, или оценивают пикнометрическую плотность частиц порошка) или количественным (навеску анализируемого порошка восстанавливают чистым и хорошо осушенным водородом, улавливают образующиеся пары воды пентаоксидом фосфора, оксидом кальция или каким-нибудь другим активным влагопоглотителем и рассчитывают количество кислорода по привесу соответствующего поглотителя).

 

Таблица 1. - Условия прокаливания металлических порошков при анализе на содержание кислорода.

 

Широкое применение получили методы нейтронно-активационного анализа.

В металлических порошках содержится значительное количество газов (кислорода, водорода, азота и др.) как адсорбированных на поверхности, так и попавших внутрь частиц в процессе изготовления или при последующей обработке.

Газовые примеси в порошках появляются также в результате разложения при нагреве загрязнений и добавляемых смазок или связок (используемых для улучшения условий последующего формования  заготовок для порошка). Газовые пленки из-за ненасыщенности силовых полей на поверхности частиц порошка образуются самопроизвольно. Например, на каждом квадратном сантиметре поверхности образуется воздушная пленка массой 0,6•10^-6 г; чем мельче частицы порошка, тем больше газов они адсорбируют. Внутрь частиц газы попадают различными путями. Так, при восстановлении химических соединений часть газов-восстановителей и газообразных продуктов реакции не успевает выйти наружу, и находятся либо в растворенном состоянии, либо в виде пузырей. Электролитические порошки содержат водород, выделяющийся на катоде совместно с осаждаемым металлом при электролизе водных растворов. В карбонильных порошках присутствуют растворенные кислород и оксиды углерода, а в распыленных - газы, механически захваченные внутрь частиц.

Большое количество растворенных газов  увеличивает хрупкость частиц порошков и затрудняет формование (прежде всего в пресс-формах) заготовок, а интенсивное газовыделение при спекании может нарушить процессы, приводящие к формированию свойств изделий (например, привести к короблению нагреваемой заготовки). Поэтому целесообразна обработка порошков, особенно высокодисперсных, в вакууме, что обеспечивает эффективное газоотделение. Газосодержание порошков определяют с использованием сложных методов, основанных на нагреве и плавлении анализируемых проб в вакууме.

Влажность порошка при содержании влаги до 0,1 % определяют высушиванием его навески до установления постоянной массы в сушильном шкафу. Для этого навеску порошка массой 10 г (погрешность взвешивания ≤ 0,002 г) помещают в предварительно высушенный до постоянной массы стаканчик, закрывают его крышкой и взвешивают. Затем порошок в стаканчике нагревают при 100—105° С в течение 2 ч, охлаждают и взвешивают, после чего сушку повторяют в течение 0,5 ч, контролируя ее качество.

Содержание влаги (X, %) определяют по формуле 1.

                                               (1)

где m₁,m₂,m₃ – соответственно навеска порошка, масса стаканчика с порошком до и после испытания. Полученные (рассчитанные) значения X округляют до 0,01 %. Содержание в порошке влаги от 0,05 дом 0,5% определяют в соответствии с ГОСТ 18317-73 методом, основанным на отгонке инертным газом при 200⁰ Сиз металлического порошка воды и ее взаимодействии с реактивом К.Фишера при электрометрическом титровании.

 

2 Химические  особенности металлических порошков

 

Важными химическими  особенностями металлических порошков являются их воспламеняемость (пожароопасность), взрываемость и токсичность.

 

2.1 Воспламеняемость металлического порошка

Воспламеняемость порошка  связана с его способностью к  самовозгоранию при соприкосновении  с окружающей атмосферой, которая при относительно невысоких температурах может привести к воспламенению порошка и даже взрыву. Воспламеняемость зависит от химической природы и чистоты металла, крупности и формы частиц порошка, состояния их поверхности (пленки оксидов уменьшают пожароопасность, а шероховатость усиливает ее). В компактном (литом) состоянии лишь немногие металлы пожароопасны и могут воспламеняться при относительных невысоких температурах (например, магний, титан, гафний и некоторые другие), тогда как в порошкообразном состоянии воспламеняются очень многие металлы. Воспламенение может произойти в результате не только окисления, но и других экзотермических реакций, например образования карбидов или нитридов в процессе взаимодействия металлического порошка с азотом или углеродсодержащим газом. Однако основной причиной воспламенения порошков принять считать их взаимодействие с кислородом (воздухом). Для порошков некоторых металлов контакт с воздухом может привести к почти мгновенному воспламенению при относительно невысоких температурах, если отсутствуют факторы, подавляющие начавшуюся реакцию (например, на поверхности частиц не возникает плотной защитной пленки оксида, препятствующей дальнейшему непосредственному контакту металла с окружающей средой), воспламенение приводит к устойчивому горению. Внешний источник тепла для воспламенения порошка иногда не нужен, если при экзотермической реакции выделяется большое количество энергии. Например, многие высокодисперсные порошки обладают большой удельной поверхностью и способны к самопроизвольному возгоранию при комнатной температуре, в связи с чем их называют пирофорными.

Воспламеняемость порошка зависит  от того, находится ли он в свободно насыпанном состоянии (т.е. в виде аэрогеля) или в виде взвеси в окружающей атмосфере (т.е. в виде аэрозоля). Для аэрогелей определяют температуры самонагревания, тления, самовоспламенения и воспламенения, а также энергию воспламенения.

Температура самонагревания — наименьшая температура, при которой в порошке  возникает экзотермическая реакция взаимодействия с окружающей газовой атмосферой, инициированная посторонним тепловым импульсом (нагретой окружающей газовой средой или нагретым телом). Для ее определения слой  порошка помещают на плавно нагреваемой поверхности либо вносят его в тигле или на подставке в горячую (разогретую) печь. В первом случае с определенного момента температура порошка перестает следовать изменению температуры нагреваемой поверхности, обгоняя ее из-за самонагрева; температуру начала этого расхождения принимают за температуру самонагрева порошка. Во втором случае за такую температуру принимают температуру в печи, при которой вносимый в нее порошок самонагревается.

Температура тления — наименьшая температура порошка, при которой  в результате самонагревания возникает тление, т.е. свечение без пламени. Ее измеряют на порошке, помещенном в нагревательное устройство, в момент фиксируемого визуально возникновения тления.

Температура самовоспламенения —  наименьшая температура порошка, при  которой резко увеличивается  скорость экзотермического процесса, заканчивающегося самопроизвольным возникновением пламени. Обычно эту температуру принимают минимальную температуру в печи, при которой вносимый в печь на подставке слой порошка воспламеняется.

Температура воспламенения — наименьшая температура порошка, при которой от постороннего источника тепла в порошке происходит резкое увеличение температуры за счет экзотермического процесса, заканчивающегося самопроизвольным возникновением пламени. Для ее опредления к слою порошка прижимают нагретое тело, температуру которого и принимают за минимальную температуру воспламенения (при кратковременном соприкосновении с воспламенителем определить температуру порошка в контактной зоне технически очень трудно).

Энергия воспламенения - количество переданной порошку энергии, достаточное для его воспламенения. Ориентировочно ее вычисляют по формуле теплового баланса, зная температуру воспламенения порошка и продолжительность его нагрева до нее. При испытании на воспламенение с применением искровых установок энергии воспламенения соответствует минимальная энергия разряда, вызывающего воспламенение порошка.

Установка МИСиС для  оценки температур, характеризующих воспламеняемость металлических порошков, показана на Рисунке 1. Навеску порошка 1 размещают на пластинке прокаленного асбеста 2 в нижней части реакционной кварцевой трубки 3, в которую сверху вводят воздух (его расход измеряют реометром 8), а выводят его через кварцевую трубку 7. Реакционную трубку 3 помещают в массивный металлический блок 4 и вводят его при испытании в электропечь 5. Металлический блок 4 обеспечивает равномерный нагрев трубки 3с навеской исследуемого порошка 1 и помешенной в блоке навески эталонного порошка 6 из инертного материала с теплофизическими свойствами, близкими к исследуемому образцу. Печь нагревают по заданному режиму и дифференциальной термопарой (на рисунке не показана) измеряют разность  температур исследуемого и эталонного порошков. На Рисунке 1, б приведен общий вид графических зависимостей, позволяющих определить температурные характеристики воспламеняемости  аэрогелей порошков. При нагреве температура воздуха в печи (кривая 1) изменяется прямо пропорционально продолжительности нагрева, температура порошка инертного (эталонного) материала повышается с некоторым отставанием во времени (кривая 2) по сравнению с температурой газа в печи, а температура исследуемого порошка до определенного момента повышается идентично температуре порошка эталона. При определенной температуре, соответствующей точке а, начинается саморазогрев исследуемого порошка за счет его окисления и температуру считают температурой самонагревания. Дальнейшее повышение температуры некоторых порошков сопровождается какое-то время их тлением. При интенсивном окислении исследуемого порошка может произойти самовоспламенение, сопровождающееся резким увеличением температуры и появлением пламени (точка б, кривая 3). Температуру, соответствующую этому моменту, считают температурой  самовоспламенению порошка.