Химические свойства металлических порошков. Нормативная база. Области применения

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1. – Установка (а) и график (б) для определения  температур, характеризующих самовоспламенение  порошков.

 

Для определения температуры  воспламеняемости порошка в слое применяют установки, снабженные воспламенителем (Рисунок 2). Исследуемый порошок 4 засыпают в емкость из огнеупорного кирпича. Нихромовую спираль 1 нагревают электротоком от стабилизатора и перемещают по высоте при помощи подвижного тубуса 2; в центре спирали помещают горячий спай платиновой термопары 3. При исследовании порошков с высокой температуры поверхности спирали осуществляют оптическим пирометром 5. Для определения температуры воспламенения увеличивают температуру спирали от комнатной до той, при которой происходит быстрое воспламенение навески исследуемого порошка. Затем понижают температуру спирали (уменьшая силу ток ступенчатого по 0,5 А) до такой, при которой в течение достаточно большого времени воспламенение не происходит. Эту температуру принимают за температуру воспламенения исследуемого порошка. Отметим, что при резком контакте нагретой спирали с порошком (нагретую спираль вводят в слой порошка) воспламенение слоя происходит при температуре более низкой, чем при нагреве спирали в слое порошка от комнатной температуры его воспламенения; это объясняют окислением порошка и ростом пленки оксида при его медленном разогреве. В качестве источника зажигания можно использовать нагретое компактное тело (например, металлический наконечник, надетый на карборундовый стержень). Воспламенение от такого нагретого тела происходит при температурах более высоких, чем при воспламенении от спирали, что также объясняют происходящим более интенсивным окислением  частиц исследуемого порошка.

 

 

Рисунок 2. – Установка  для определения температуры  воспламенения порошка в слое.

 

Численные значения показателей воспламеняемости металлических порошков (приведенные в Приложении А) не являются константами вещества, а представляют собой индивидуальные характеристики только конкретного исследуемого порошка при данных условиях испытания и зависят от многих факторов, среди которых решающим является дисперсность порошка. По мере уменьшения размера частиц температура воспламенения снижается, и высокодисперсный порошок становится пирофорным, т.е. приобретает способность самовоспламеняться при комнатной температуре. Порошок с частицами неправильной формы с выступами и острыми краями воспламеняется легче, чем в случае частиц округлой формы. Состав окружающей атмосферы существенно влияет на температуру самовоспламенения, так как определяет величину термодинамических эффектов, кинетику окисления и свойства образующейся оксидной пленки. Воспламеняемость порошков сплавов во многом зависит от фазового состава. Технология порошков влияет на их воспламеняемость в той мере, в какой она определяет химический состав, дисперсность, форму и окисленность частиц порошка, а также другие характеристики как поверхностной, так и внутренней структуры металла.

 

2.2 Взрываемость  металлических порошков

Сверхвысокие скорости химического взаимодействия порошка  с кислородом приводят к почти мгновенному выделению энергии, которое сопровождается образованием и распространением взрывной волны — происходит взрыв. Металлические порошки, располагающиеся слоем (аэрогели), не способны взрываться, хотя могут стать источниками взрыва в результате выброса пылевого облачка, его воспламенения и интенсивного горения частиц. Поэтому, рассматривая взрываемость порошков, имеют в виду взрываемость аэрозолей, т.е. взвеси металлических частиц в газе. Показателями взрываемости порошка могут служить температура воспламенения (при которой происходит возникновение пламени во всем объеме аэрозоля), нижний концентрационный предел (НКП), верхний концентрационный предел (ВКП), конечное давление взрыва и скорость его нарастания. Практически для оценки степени опасности работы с металлическими порошками достаточно определить для каждого из них температуру воспламенения и нижний концентрационный предел взрываемости (НКПВ), представляющий собой максимальную концентрацию порошка в газе, при которой в случае начавшегося воспламенения группы частиц процесс горения еще не распространяется в аэрозоле самостоятельно.

На Рис. 3 показана установка  для определения температуры  воспламенения аэрозоля, состоящая  из трубчатой печи 1, распылительного  устройства 2 и измерительного блока (термопара 3 с гальванометром 4). Распылительное устройство имеет головку с коническим отверстием центре для размещения пробы порошка, а в его основании помещен электромагнитный клапан 5, падающий сжатый воздух 6 для импульсного распыления порошка. Воспламенение фиксируется визуально и с помощью зеркал, расположенных на удобном для наблюдателя уровне. Температура  воспламенения замеряется термопарой 3 как температура в печи.

 

 

Рисунок 3. – Установка  для исследования температуры воспламенения  аэрозоля металлов

 

НКПВ можно определить на установке МИСиС (Рисунок 4), снабженной взрывной камерой 1 (стеклянная сферическая  колба), в которую введены электроды5 и изогнутая трубка 6 для подачи распыляющего воздуха. Навеску порошка  помещают в чашечку 4 в центре камеры 1. Пневматическое импульсное распыление порошка при открывании электромагнитного клапана 7 создает облако аэрозоля в форме резко очерченного сферического конуса с равномерной концентрацией порошка. Боковые пробки 2 предназначены для предохранения камеры 1 от разрешения в случае чрезмерного давления взрыва; через одну из них вводят датчик давления 3. Зажигание производят индукционным электроискровым разрядом.

 

 

Рисунок 4. – Установка  для исследования воспламеняемости аэрозолей металлов со взрывной камерой сферической формы

 

Характеристики взрываемости (Приложение А) в основном зависят от  дисперсности металлического порошка, степени его окисленности и содержания кислорода в газовой фазе. Обычно воспламеняются и взрываются во взвешенном состоянии порошки крупностью частиц ≤150—200 мкм. Газодисперсные системы, содержащие более мелкие частицы, имеют меньшие температуры воспламенения и НКПВ, большую скорость нарастания давления и величину максимального давления при взрыве; это связано с возрастанием удельной поверхности и, соответственно, активности порошка. Степень окисленности частиц сильно влияет на взрывоопасность порошка; особенно активны и опасны свежеприготовленные порошки. Содержание кислорода в газовой фазе (окружающей атмосфере) существенно влияет на характер протекания процесса взрыва аэрозолей металлов, поскольку тепловой взрыв происходит в основном за счет интенсивной экзотермической реакции окисления металла. Уменьшение содержания кислорода обычно понижает взрывную активность аэрозолей металлов. Однако некоторые аэрозоли металлов могут воспламеняться и при отсутствии кислорода в окружающей газовой атмосфере (азот, углекислый газ и др.), с которой металл может реагировать с выделением тепла.

 

 

2.3 Токсичность  металлического порошка

Систематическое вдыхание металлических порошков независимо от их вида может привести к профессиональным заболеваниям. Практически пыль (обычно размер частиц < 4 мкм) любого из металлов или керамики, в том числе и совершенно безвредных в компактном состоянии, воздействует на человека и может вызвать патологические изменения в его организме, например, вызвать аллергические заболевания; привести к хроническим легочным болезням. Некоторые порошковые материал  канцерогенны, например, бериллий и его соединения.

Степень опасности для здоровья человека пыли зависит от их химического состава и степени окисленности, размера частиц, их концентрации, длительности воздействия, путей проникновения в организм и т.д. Технологические и санитарно-технические мероприятия должны поддерживать в производственных помещениях концентрацию пыли на уровне ниже нормы ПДК (предельно-допустимых концентраций). В Таблице 3 приведены сведения о ПДК и влиянии на организм  человека пылей некоторых металлов. Большое внимание при работе с металлическими порошками надо обращать на строгое выполнение специальных мер, обеспечивающих безопасность работы, и соблюдение работающими личной гигиены.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 3. – Характеристика аэрозолей некоторых металлических  пылей в воздухе рабочей зоны и их биологическое воздействие на человека.

 

 

3 Область применения

Промышленность России производит широкую номенклатуру порошков таких металлов, как железо и его  сплавы, никель, медь, кобальт, алюминий, титан, олово, цинк, свинец, магний, вольфрам, молибден, тантал, ниобий и др., лигатур и модификаторов. Порошки, используемые в современной порошковой металлургии, представляют собой продукты высокого передела, на свойства которых непосредственно влияет способ изготовления. Работы ученых привели к созданию ряда оригинальных процессов получения металлических порошков, различающихся по гранулометрическому, химическому, фазовому составам, форме и микроструктуре частиц. В настоящее время ведется разработка научных принципов создания и методов управления структурой и свойствами нанокристаллических композиционных порошков различного функционального назначения с размером кристаллитов менее 100 Нм.

Порошковые металлические  материалы используются практически  в любой области техники, и  объем их применения непрерывно расширяется. Антифрикционные материалы позволили повысить надежность и долговечность узлов трения, снизить потери на трение, существенно уменьшить стоимость. Разработка таких материалов, состоящих из пористой металлической матрицы, заполненной твердыми смазками, сделала возможным их применение в устройствах, где использование жидких смазок вообще недопустимо, например, в пищевой промышленности, при высоких температурах. Порошковые конструкционные материалы являются наиболее распространенной продукцией порошковой металлургии, которая применяется не только в технике, но и, например, в медицине при изготовлении имплантатов для стоматологии и ортопедии. Материалы для современной атомной энергетики должны выдерживать наряду с радиационным воздействием экстремальные механические и термические нагрузки. Они используются в качестве конструкционных, поглощающих и замедляющих элементов, а также топлива. Определенную их часть составляют порошковые материалы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Представлены свойства металлического порошка, изучены химические свойства металлических порошков, а также методы определения кислорода в порошках в соответствии с ГОСТами. Рассмотрены химические особенности металлических порошков и их установки по исследованию характеристик. Изложен обзор применения и развития методов по управлению структурой и свойствами металлических порошков.

 

 

 

 

Список использованной литературы веществ и материалов

 

1. Процессы  порошковой  металлургии.  В 2-х т. 1.Производство  металлических  порошков: Учебник  для  вузов/Либенсон  Г.А., Лопатин Б.Ф., Комаршицкий Г.В., - Москва.: «МИСиС»,2001 г.
2. Диагностика металлических порошков/ В.Я.Буланов, Л.И.Кватер,Т.В. Долгаев и др./ Москва, Изд. Наука, 1983год .
3. Порошки цветных металлов/ Под редакцией С.С.Набойченко./ Москва; Металлургия,1997г.
4. Статья: «Свойства металлических порошков» /Полтавский завод порошковой металлургии/ http://avkpress.com.ua/.
5. Порошковая металлургия/ Федорченко И.М., Францевич И.Н., Радомысельский И.Д. и др./ Наукова думка, 1985 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нормативно-техническая литература

1. ГОСТ 18897-73.Порошки металлические. Метод определения потери массы при прокаливании в водороде (Заменяющий ГОСТ 18897-98);

2.ГОСТ 18317-73.Порошки металлические. Метод определения содержания воды (Заменяющий ГОСТ 18317-94);

3. ГОСТ 17359-82. Порошковая металлургия. Термины и определения;

4. ГОСТ 29006-91. Порошки металлические. Метод определения кислорода, восстановимого водородом;

5. ГОСТ 18897-98. Порошки металлические. Определение содержания кислорода методами восстановления. Потери массы при восстановлении водородом (водородные потери);

6. ГОСТ 12.2.007.9-93.Безопасность электрохимического оборудования;

7. ГОСТ 12.1.005-88. Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны;

8. ГОСТ 12.1.010-76. Взрывобезопасность. Общие требования.