Глава 2. Свойства металлических порошков и методы их контроля
Свойства порошка определяются не только физической природой исходного металла, но также размером и формой частиц, содержанием примесей и способом производства. Различают химические, физические и технологические свойства порошков. Химические свойства это пирофорность и токсичность порошков, содержание в них основного металла, легирующих добавок и примесей. К физическим свойствам относят форму и размер частиц, их распределение по размерам, удельную поверхность, истинную плотность и микротвердость частиц. Технологические свойства включают в себя насыпную плотность и плотность утряски, текучесть, уплотняемость, прессуемость и формуемость порошка. Порошки с одинаковым химическим составом могут существенно различаться по физическим характеристикам и технологическим свойствам. В зависимости от свойств порошка выбираются условия его дальнейшей обработки, которые
наряду со свойствами порошка определяют свойства конечных изделий. Возможность получения широкой гаммы порошков с различными свойствами придает особую гибкость и универсальность порошковым технологиям при создании на их основе новых материалов.
2.1. Химические свойства
Химический состав порошка зависит от физической природы металла, степени чистоты исходных материалов и способа производства. Содержание основного металла или сумма компонентов сплава обычно составляет более 98 %. В отдельных случаях применяются более чистые порошки, например при производстве порошковых изделий с особыми свойствами из тугоплавких металлов и сплавов. Основными примесями в порошках являются газы – кислород, азот, водород и др., которые находятся в адсорбированном виде на поверхности порошка и внутри самих частиц. Внутрь частиц газы попадают в процессе изготовления порошка или при его последующей обработке. Например, в распыленных порошках содержатся механически захваченные газы, в электролитических порошках обычно содержится водород, выделяющийся на катоде вместе с осаждаемым металлом. Растворенные газы повышают хрупкость частиц порошка и затрудняют его формование. С учетом этого, в ряде случаев, особенно при работе с высокодисперсными порошками, предусматривают обработку их в вакууме, что резко снижает содержание в порошках газов. Газосодержание порошков определяют химическим анализом, основанном на нагреве и плавлении анализируемых проб в вакууме.
Влажность порошка определяют высушиванием навески до постоянной массы. Навеску порошка массой 10 г засыпают в предварительно высушенный стаканчик, закрывают его крышкой и взвешивают. Затем стаканчик с порошком помещают в сушильный шкаф, где выдерживают его два часа при 100-105 ºC, охлаждают и снова взвешивают. Затем сушку повторяют с выдержкой 0,5 ч. Содержание влаги определяют по формуле
Х = [(m2 – m3) / m1]∙100, (2.1)
где m1, m2, m3 – соответственно навеска порошка, масса стаканчика с порошком до и после испытания. Погрешность взвешивания не должна превышать 0,002 г.
Важными химическими характеристиками порошков являются воспламеняемость, взрываемость и токсичность. Воспламеняемость или пожароопасность порошка это его способность к самовозгоранию при соприкосновении с окружающей средой. Пожароопасность металла в сильной степени зависит от дисперсности его частиц. В компактном литом, или деформированном состоянии только немногие металлы, например магний, гафний, цирконий, титан способны к самовозгоранию, тогда как в порошкообразном состоянии пожароопасными становятся многие металлы. Воспламеняемость металлического порошка зависит также от того в насыпном, или взвешенном состоянии он находится. Во взвешенном состоянии аэрозоля способность порошка к самовозгоранию резко возрастает. Порошковые аэрозоли при сверхвысокой скорости взаимодействия с кислородом могут взрываться. Металлические порошки в засыпке (аэрогели) не взрываются. Показателем взрываемости порошка может служить температура воспламенения, при которой происходит возникновение пламени во всем объеме аэрозоля. Практически для оценки степени опасности работы с металлическими порошками достаточно определить для каждого из них температуру воспламенения и нижний концентрационный предел взрываемости (НКПВ), представляющий максимальную концентрацию порошка в газе, при которой процесс горения в аэрозоле самостоятельно еще не распространяется. Например, порошок титана с размером частиц 10-40 мкм в виде аэрогеля (в слое) имеет температуру воспламенения 397 ºC и температуру самовоспламенения 510 ºC. Этот же порошок в виде аэрозоля воспламеняется при 330 ºC, а при НКПВ более 25 г/см3 может взорваться.
Существуют специальные установки для исследования и контроля температуры воспламенения порошка в состоянии аэрогеля и аэрозоля, а также для определения НКПВ. В качестве примера на рис. 2.1 показана схема установки МИСиС. Установка снабжена взрывной камерой 1, в которую введены электроды 5 и изогнутая трубка 6 для подачи распыливающего воздуха. Навеску порошка помещают в чашку 4. Пневматическое импульсное распыление порошка при открывании электромагнитного клапана 7 создает облако аэрозоля. Зажигание производят индукционным электроискровым разрядом. В камере имеются боковые пробки 2, которые предохраняют камеру от разрушения при взрыве, а также служат для ввода датчиков давления.
Для предотвращения самовозгорания и взрыва дисперсных порошков применяют контролируемое окисление поверхности порошка и другие покрытия. Одновременно исключают возможность искрения и неконтролируемого нагрева.
Рис. 2.1. Установка для исследования воспламеняемости
аэрозолей металлов
Пример. Предварительное окисление алюминиевого порошка сводит к минимуму вероятность возгорания при работе с порошком. Для сферического порошка с размером частиц 28 мкм содержание оксида должно быть 0,4 % (масс). Полагая, что оксидная пленка имеет одинаковую толщину можно сделать следующий расчет: 0.004 (вес оксидной фракции) = Vo ρo / Vm ρm, где Vo – объем оксидной пленки; ρo – плотность оксида (3,96 г/cм3); Vm – объем порошковой частицы; ρm – плотность металла частицы (2,7 г/cм3). Объем частицы составляет 1,15∙10-14 м3, а объем оксидной пленки 3,1∙10-17 м3. Толщина оксидной пленки ‑ 15 нм. Столь тонкая пленка способна предотвратить воспламенение дисперсного алюминиевого порошка.
Часто упускают из виду опасность, которая может возникнуть при смешивании порошков в результате бурной химической реакции с выделением тепла. Например, при смешивании титана и графита (производство карбида титана) температура в зоне реакции за несколько секунд может превысить 1000 ºC. Вот примеры еще нескольких экзотермических систем: Ni-Al; Ni-Si; Ti-Al; Zr-C; Mo-Si; Pt-Zr и Fe-Al. Эти экзотермические реакции в твердой фазе не генерируют взрывную волну, но создают определенные проблемы.
Попадание металлических порошков в организм человека может привести к профессиональным заболеваниям. Частицы размером более 10 мкм задерживаются мембранами, однако частицы менее 10 мкм могут попадать в легкие и растворяться в организме человека. Специфика воздействия растворенных частиц на человека зависит от химической природы частиц. Наибольшее внимание следует уделять токсичным материалам. Контакт с таким порошковым материалом как свинец должен быть минимальным. Даже если материал в макрообъеме не токсичен, мелкие частицы, попавшие в легкие, могут вызывать раздражение и воспаление, поэтому следует обращать особое внимание на состояние воздушной среды в производственных помещениях. Наноразмерные порошки представляют особую опасность для здоровья, так как они способствуют быстрому росту клеток живого организма, что может привести к легочным заболеваниям. Максимально допустимая доза для содержания многих токсичных материалов в воздушной среде ниже 10-4 г/см3. Объем одного человеческого вдоха около 500 см3, поэтому работающий даже в чистой комнате, где обеспечивается это условие, вдыхает в себя несколько частиц в минуту.
В производственных цехах и участках, где проводится работа с металлическими порошками, количество пыли должно быть ниже предельно допустимой концентрации (ПДК). В табл. 2.1 приведены сведения о ПДК и биологическом воздействии на организм человека некоторых металлических аэрозолей.
Таблица 2.1