Спосіб виготовлення металевого порошкового матеріалу

Спосіб виготовлення металевого порошкового матеріалу, що складається з розділення похідної сировини на шматки, роздрібнення окремих шматків до порошку, його термообробку, роздрібнення термообробленого порошку та його розсіювання за фракціями, що відрізняється тим, що перед 36562 продукту та підвищення витрат енергії для реалізації засобу у повному обсязі. Відомим є спосіб виготовлення металевих порошкових матеріалів методом розпилення розплаву металу, що описаний у патенті США US 536 86 57A В 12 F 9/00 (з. № 9348138, дата подання 13.04.93, дата викладки 29.01.94, ИСМ, вип. 016, 1996, № 1, c. 18) "Синтез вогнетривких чи інтерметалевих речовин газовим розпиленням та тверді пересичені розчини". Згідно з цим способом метал розплавляють в інертній атмосфері та розпилюють сумішшю розпилюючого газу. Затвердіння розпилених часток металу проводять зі збереженням надрівноважної концентрації атомів у них. Отриманий порошок збирають у ємність. Описаний спосіб дозволяє забезпечити завдані фізико-механічні властивості порошку. Проте цей засіб є достатньо енергоємним та потребує реалізації за допомогою складного устаткування, що й визначає його основні недоліки. Крім того, описаним способом можна отримати металеві частки переважно гладкої сферичної форми. Це погіршує їх пресуємість, отже, знижує якість пресуємих виробів, що також є недоліком способу. Критеріальним при виборі прототипу є спосіб, що передбачає застосування механічних процесів здрібнювання, які не змінюють чистоти та фази фізичного стану похідної сировини, що зберігається твердою при усіх операціях обробки. До таких способів відносяться технології виробництва, наприклад, сталевих порошків з відходів. Ці засоби близькі до даного патенту за наявністю операцій обробки та їх принципової послідовності. Найбільш близьким до пропонуємого за технічною суттєвістю та досягненим результатом є спосіб виготовлення металевого порошкового матеріалу, описаний у а. с. ЧССР № 248 997, C22C1/04 (з. 3764 - 85, дата публ. 15.03.88, РЖМ 88, 12Е93П), '”Спосіб виготовлення сталевого порошку зі стружки середнє та високовуглецевих сталей". Згідно цьому способу стр ужки легованої сталі зі складом вуглецю більш 0,5% поділяють на шматки від 1 до 60 мм, які обезжирюють та здрібнюють у порошок. Далі порошок розсіюють за фракціями та віджигають при температурі від 700 - 1000 °С протягом 0,5 – 6 год. на повітрі. Частково зпечений порошок розмелюють (роздрібнюють) та віджигають в атмосфері азоту або у відтворюючій атмосфері, що містить водень. Після віджигу здійснюють остаточне розсіювання порошку за фракціями. Описаний засіб дозволяє одержати фракції часток заданих розмірів з необхідними фізікомеханічними характеристиками та реалізується за допомогою більш простого устаткування, ніж способи-аналоги. Однак, при наявності загальних основних операцій конкретна послідовність цих операцій та їх режими у способі-прототипі, придатні для здрібнення малопластичних матеріалів (ламких, твердих) та отримання сталевого порошку, не можуть використовува тися без істотної зміни для здрібнювання м'якої пластичної міді у способі. Так, помел сталевого порошку здійснюють у вихрови х та шарових млинах. Режими, що створюються при цьому помелі, не призначені для по мелу м'яких пластичних матеріалів, оскільки ці мАтеріали будуть не руйнуватися, а склепуватися та перетворюватися на значний конгломерат часток, а не в окремі частки. Також і режим термообробки у способі-прототипі призводить до утворення навіть у сталевому порошку часткового зпіку, що потребує подальшого здрібнення (розмелу) порошку, що негативно впливає на чистоту порошкового матеріалу та призводить до погіршення його класу, а отже, до погіршення якості виготовлених з нього виробів. До основи винаходу поставлена задача удосконалення способу виготовлення металевого порошкового матеріалу шляхом впровадження нових операцій, нової їх послідовності, а також нових режимів, які регламентують параметри операцій способу, що забезпечить можливості отримання мідного порошку з використанням процесів механічного роздрібнення похідної сировини, а отже, розширить номенклатур у металевих порошків які виготовлюються на вище вказаному принципі забезпечує високу якість виробів, які виготовляються з мідного порошку, характеризується невисокою енергоємністю та реалізується за допомогою простого устатк ування. Сутність способу визначається наступною сукупністю істотних ознак, що достатні для досягнення технічного результату, який забезпечує винахід. Спосіб виготовлення порошкового матеріалу, переважно мідного, містить поділ похідної сировини на шматки, роздрібнення окремих шматків до порошку, його термообробку, роздрібнення термообробленого порошку та його розсіювання за фракціями. У способі перед роздрібненням окремі шматки похідної сировини, наприклад, ізольованого мідного кабелю, очищують від зовнішньої ізоляційної оболонки, що охоплює пучок жил, жили роздрібнюють разом з власною ізоляцією до отримання механічної суміші мідних часток та ізоляції з фракціями розміром 0,5 – 1 мм, відокремлюють мідні частки від ізоляції за допомогою запровадження до вільно падаючої суміші струменя повітря що перетинає її, потім здійснюють тонкий помел мідних часток до фракцій +40 - 400 мкм, після чого здійснюють термообробку отриманого мідного порошку у водні при температурі 400 - 650 °С протягом 0,5 - 1 години, а перед його розсіюванням за фракціями термооброблений порошок роздрібнюють розтиранням. Очищення окремих шматків багатожильного мідного кабелю від зовнішньої ізоляційної оболонки, що охоплює пучок жил, дозволяє забезпечити істотно меншу засміченість дрібних часток значними частками ізоляції при подальшому роздрібненні жил, а отже, дозволяє зменшити витрати праці при подальшій обробці. Роздрібнення мідних жил разом з власною ізоляцією та подальше відокремлення мідних часток від ізоляції є більш простим та менш трудомістким набором операцій, ніж зняття ізоляції з кожної окремої жили та подальше роздрібнення оголених мідних жил, оскільки на мідних жилах можуть залишатися ділянки з незнятою ізоляцією та при роздрібненні жил вони будуть засмічувати мідні частки. Це, в остаточному підсумку, всеодно вима 2 36562 гає відокремлення часток міді від ізоляції, але з більшою трудомісткістю, оскільки замість двох операцій необхідно було б виконати три. Роздрібнення жил разом з власною ізоляцією до фракцій розміром 0,5 - 1 мм дозволяє довільно зійти ізоляції з мідного дроту та утворити механічну суміш з мідних часток та часток ізоляції, які при подальшій обробці легко розділити. Запровадження до вільно падаючої суміші, що складається з часток міді та ізоляції, перетинаючого її стр уменя повітря, забезпечує унесення цим струменем легких часток ізоляції та вільне падіння на піддон більш тяжких часток міді з виходом чистої міді 90% від її загальної кількості, що міститься у суміші. Тонкий помел мідних часток до фракцій 40 400 мкм забезпечує відповідність розмірів часток мідного порошку вимогам ГОСТ 6613-86. В результаті тонкого помелу утворюється похідна сировина - мідний порошок, з якого після подальшої обробки можливо виготовлення різноманітних деталей. Термообробка отриманого після тонкого помелу мідного порошку (віджиг) у водні при температурі 400 - 650 °С протягом 0,5 - 1 години дозволяє зняти напругу з мідних часток та забезпечити придання їм з пелюсткової форми форму, близьку до сферичної, тобто створити рівновісну частку, що поліпшує пресуємість порошку та його зпікання при виготовленні деталей. Якщо термообробку проводити при температурі більш 650 °С, зпечені частки важко розділити, що може збільшити відходи міді. Температура термообробки, нижча за 400 °С, призводить до неможливості отримання структурних перетворень пелюсткової форми часток та отримання рівновісної частки, що має форму, близьку до сферичної. Вибір часового інтервалу термообробки у діапазоні 0,5 - 1 година є достатнім, щоб забезпечити отримання часток мідного порошку з необхідними фізико-механічними властивостями. Збільшення часу понад 1 години призведе до недоцільних витрат електроенергії. У способі режими термообробки (віджигу), що пропонуються, не призводять до утворення зпеку, що вимагає розмелення, як у засобі-прототипі. Конгломерат, який утворився, достатньо лише розтерти, що дозволяє зберегти фізико-механічні властивості часток, зокрема, насипну щільність та форму. Спосіб при невисоких витрата х енергії дозволяє отримати мідний порошок високої якості, що, у свою чергу, забезпечить виготовлення з нього високоякісних деталей. Таким чином, доказаний причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю нових істотних ознак та технічним результатом, який досягається при реалізації способу. Спосіб задовольняє критерію патентоспроможності "новизна", оскільки нові операції, що пропонуються, нова їх послідовність та нові режими їх здійснення не відомі з існуючого рівня техніки. Спосіб задовольняє критерію "винахідницький рівень", оскільки нові операції, що пропонуються, нова їх послідовність та нові режими їх здійснення для фахівця явним чином не витікають з рівня техніки, а отримані як результат творчого пошуку при проведенні науково-дослідницьких та експериментально-виробничих робіт. Спосіб задовольняє критерію патентоспроможності "промислова застосуємість", оскільки може бути використаний у порошковій металургії при виробництві металевих порошкових матеріалів, переважно мідного порошку, з використанням процесів механічного роздрібнення, наприклад, при утилізації багатовартісної вторсировини - непридатних до експлуатації пробитих багатожильних мідних кабелів та сировини. Спосіб реалізується наступним чином. Багатожильний мідний кабель розділюють на шматки розміром 120 – 150 см за допомогою гільйотини з ручним або механічним приводом, потім на спеціальному пристрої знімають з кожного шматка кабелю загальну зовнішню ізоляційну оболонку. Пучок мідних жил, кожна з яких замкнена до власної ізоляційної оболонки, роздрібнюють разом з власною ізоляційною оболонкою у спеціальному пристрої за допомогою фрези до розмірів фракцій 0,5 - 1 мм, які проходять через фільєру та надходять до ємності. При цьому ізоляція в основному відділяється від роздрібнених мідних жил. В ємності утворюється механічна суміш з мідних фракцій, ізоляції та певної кількості мідних фракцій, на яких збереглася ізоляція. Суміш, що утворилася, пересипають до сита з каліброваними отворами, що забезпечують відділення часток з розмірами 0,5 – 1 мм. Далі сито з сумішшю піддають вібрації та одночасно до часток суміші, що вільно падають через отвори у ситі, вводять перетинаючий її струмінь повітря. При цьому більш легкі частки ізоляції уносяться струменем повітря, а більш тяжкі частки міді падають на піддон, розташований під ситом. Площа піддону має протяжність до боку дії струменю повітря. Внаслідок впливу стр уменю повітря на суміш, що падає, на піддоні утворюється три зони: перша зона - площа, яку займає чиста мідь; друга зона - проміжна, яку займає суміш міді та ізоляції; третя зона - яку займають частки ізоляції. Проміжна зона формується внаслідок того, що певна кількість мідних часток не вивільнилася повністю від ізоляції, певна кількість мідних часток малих фракцій занесена до цієї зони при падінні та рядом інших чинників. Незважаючи на певні втрати, вихід чистої міді у першій зоні складає ~90% від її загальної кількості, яка міститься у суміші. Таким чином, за допомогою повітряного струменю здійснено відділення мідних часток від ізоляції. Визначення розмірів та взаємного розташування вібросита та піддону, а також параметрів та розташування повітряноподавальної установки залежать від заданого обсягу суміші, яка перероблюється у циклі, від вимог до продуктивності устаткування, що реалізує спосіб, і т. п. та є завданням звичайного інженерного проектування, розв'язання якого не впливає на патентоспроможність способу. Відділені мідні частки піддають тонкому помелу на спеціальному обладнанні - станку, що забезпечений блоком з ножем. В результаті тонкого помелу отримують похідну сировину для виготовлення мідного порошку з фракціями 40 - 400 мкм. 3 36562 Після тонкого помелу здійснюють термообробку (віджиг) отриманого мідного порошку у водні при температурі 450 – 650 °С на протязі 0,5 - 1 години. В результаті віджигу утворюється конгломерат, який легко роздрібнюється розтиранням у пристрої, наприклад, типу ливарних бігунів. Далі здійснюють розсіювання порошку за фракціями, його фасування та укупорення. Отриманий мідний порошок є кондиційним остаточним продуктом та готовою похідною сировиною для отримання з неї різноманітних деталей: мідних контактів, підшипників, конструкційних деталей та ін. При виготовленні деталей мідний порошок добре пресується та зпікається. За допомогою цього способу був отриманий мідний порошок з фракціями 40 – 400 мкм переробкою пробитого багатожильного кабелю типу КУПВ, що має ізоляцію типу ПВХ, двобічна товщина якої складала 3 мм, кількість жил кабелю 108 шт, однобічна товщина ізоляції кожної жили 0,4 мм, діаметр жили 0,35 мм, загальний діаметр кабелю з ізоляційною оболонкою 20,5 мм. Мідний 108-ми жильний кабель розділяли на окремі шматки довжиною 120 – 150 см. Партія кабелю, що оброблялася, мала вагу міді 168 кг. Окремі скрутки жил роздрібнювали разом з власною ізоляцією до фракцій з межовими розмірами 0,5 мм та 1 мм, що забезпечувалося установкою відповідних кроків подання скруток під фрезу пристрою. При цьому практично уся ізоляція зходила з мідних часток. Утворену механічну суміш з ємності пересипали до вібросита з каліброваними отворами. Частки суміші, проходячи через отвори сита, вільно падали на піддон, установлений під віброситом на відстані 760 мм. При довжині вібросита 670 мм довжина піддону склала 1150 мм. Ситу надавалися вібрації у площині, перпендикулярній його робочій поверхні. Одночасно до вільно падаючої суміші часток міді та ізоляції надавали горизонтальний повітряний струмінь. Повітря затягалося з навколишнього середовища, площа повітряного струменю складала 160 мм, що було часткою площі, визначаємої шириною вібросита та відстанню між віброситом та піддоном. При цьому нижня межа повітряного струменю розташовувалася на відстані 80 мм від піддону. Унесені повітряним струменем легкі частки ізоляції розташовувалися на ділянці піддону довжиною 350 мм (третя зона). Мідні частки падали на піддон у першій зоні та займали ділянки довжиною 670 мм. Суміш з мідних часток та ізоляції у др угій (проміжній) зоні розташовувалася на ділянці довжиною 130мм. Вага часток чистої міді в партії, що оброблялася, склала 153,4 кг, що склало 91,3% від ваги міді у похідній сировині. Таким чином, відходи міді склали менш ніж 10%. Далі частки міді піддавалися тонкому помелу для отримання більш дрібних фракцій з розмірами 40 – 400 мкм. Розмір фракцій у виказаному діапазоні досягався відповідною установкою роздрібнюючого ножа. Після тонкого помелу усю партію мідних часток розділили на три рівні порції та провели тер мообробку (віджиг) першої порції при температурі 400 °С, другої - при 500 °С, третьої - при 650 °С на протязі 1 години. В результаті віджигу усіх трьох порцій мідних часток утворився конгломерат, легко роздрібнений розтиранням у спеціальному пристрої. Далі отриманий мідний порошок був розсіяний за фракціями 40 - 100 мкм, 100 – 160 мкм, 160 – 200 мкм, 200 – 400 мкм та розфасований за ємностями. Для розсіву використався набір сит та сіток, прийнятих у порошковій металургії відповідно до ГОСТ 6613-86. При цьому для отримання фракцій від 40 до 200 мкм вживалися сітки від № 004 до № 02, а для фракцій від 200 до 400 мкм - сітка № 045. Вказаний діапазон розмірів часток забезпечив отримання порошків міді, відповідних маркам ГОСТ 4960-75, а саме: фракція 40 – 100 мкм – марка ПМС-1; фракція 100 – 160 мкм – марка ПМС-В; фракція 160 – 200 мкм – марка ПМС-Н; фракція 200 – 400 мкм – марка ПМС-К. Після розсіву за фракціями здійснювалося визначення насипної щільності кожної фракції згідно вимог стандарту 19440-94, а також ущільнюємості згідно вимог ГОСТ 25280-90. Характеристики отриманих порошків після їх тонкого помелу та подальшої обробки зіставлялися з характеристиками порошків, регламентованими ГОСТ 4960-75. Результати зіставлення показали їх повну відповідність. Спосіб доцільно використати при обробці мідних багатожильних кабелів, що мають діапазон діаметрів одиничної жили 0,35 - 0,5 мм при довжині частки жили, роздрібненої разом з ізоляцією, рівної 0,5 - 1 мм. В указаному діапазоні параметрів найбільша частка міді буде мати форму циліндру при діаметрі 0,5 мм та довжині 1 мм. Такі частки піддаються роздрібненню (тонкому помелу) до вказаних вище фракцій та зберігають необхідні фізико-механічні властивості. Збільшування діаметру одиничної жили, наприклад, до 1 мм буде вимагати зменшення довжини частки до 0,5 мм. Така частка буде мати форму диска, який принципово можливо роздрібнити способом. Однак для цього буде потрібно прецізійне устатк ування з малими допусками на установлення кроку ріжучого інструменту, що те хнічно більш складно. Спосіб забезпечує отримання високоякісного мідного порошку, що задовольняє усім вимогам, які пред'являються до його властивостей ГОСТ 4960-75. Цей спосіб реалізується простим устаткуванням на базі існуючого, спосіб є економічним, не потребує великих енерговитрат, може бути використаний для переробки необмежених за вагою партій похідної сировини. Крім мідного порошку спосіб принципово може бути ужитий для виготовлення порошків інших кольорових металів, наприклад, алюмінію. Спосіб відноситься до ресурсозберігаючих технологій та відкриває принципово нові можливості переробки багатовартісної вторсировини кольорових металів та їх сплавів. 4 36562 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5