Порошок железный

   Железный порошок — дисперсный материал на основе железа, выпускаемый в промышленных масштабах для нужд порошковой металлургии, производства сварочных материалов, магнитной дефектоскопии, химической промышленности и ряда других отраслей. Основным нормативным документом, регламентирующим требования к железному порошку в России, является ГОСТ 9849-86 «Порошок железный. Технические условия». Стандарт распространяется на порошок, полученный методами восстановления и распыления расплава металла водой высокого давления или сжатым воздухом.

Способы получения железного порошка

Согласно ГОСТ 9849-86, железный порошок подразделяют по способу изготовления на два основных типа.

Восстановленный железный порошок (ПЖВ)

Получают методом восстановления — химическим извлечением металлического железа из оксидов (железорудного концентрата, окалины). В качестве восстановителя применяют водород или конвертированный природный газ. Процесс проводят при высоких температурах в специальных печах. В результате образуется пористый «губчатый» продукт — так называемое губчатое железо, которое затем измельчают и рассеивают. Частицы восстановленного порошка имеют неправильную (иррегулярную) форму со значительной развитой поверхностью, что обеспечивает хорошую формуемость при прессовании.

В обозначении такого порошка используется буква «В» — восстановленный. ГОСТ 9849-86 предусматривает пять марок восстановленного порошка по химическому составу: ПЖВ1, ПЖВ2, ПЖВ3, ПЖВ4 и ПЖВ5. Марка ПЖВ1 отличается наиболее высокой чистотой (содержание углерода не более 0,02 %, серы не более 0,015 %), а ПЖВ5 допускает более высокий уровень примесей.

Распылённый железный порошок (ПЖР)

Получают распылением — дроблением струи расплавленного металла потоком воды высокого давления или сжатого воздуха. Расплав подаётся из индукционной печи или ковша через специальное сопло, после чего подвергается воздействию энергоносителя. При водяном распылении частицы имеют каплевидную и неправильную форму. При воздушном — форма частиц ближе к сферической. После распыления порошок подвергают сушке, отжигу и рассеву.

В обозначении используется буква «Р» — распылённый. ГОСТ 9849-86 устанавливает три марки распылённого порошка: ПЖР2, ПЖР3 и ПЖР5. Марка ПЖР2 имеет наиболее низкое содержание примесей (углерода не более 0,02 %, кремния не более 0,05 %, марганца не более 0,15 %).

Система маркировки железного порошка по ГОСТ 9849-86

Условное обозначение порошка содержит полную информацию о его свойствах и способе получения. Структура маркировки включает следующие элементы:

Пример расшифровки: ПЖР2.200.26 ГОСТ 9849-86 — порошок железный, распылённый, марка 2 по химическому составу, класс крупности 200 мкм, насыпная плотность в диапазоне 2,50–2,70 г/см³.

Другой пример: ПЖВ1.450.26 ГОСТ 9849-86 — порошок железный, восстановленный, марка 1, класс крупности 450 мкм, насыпная плотность 2,50–2,70 г/см³.

Химический состав железного порошка по ГОСТ 9849-86

Химический состав является главным критерием деления порошка на марки. В таблице ниже приведены предельно допустимые массовые доли примесей для каждой марки согласно ГОСТ 9849-86, таблица 1.

Восстановленный порошок (ПЖВ): предельный химический состав

Распылённый порошок (ПЖР): предельный химический состав

Основной компонент всех марок — железо (основа). Потери массы при прокаливании в водороде характеризуют содержание кислорода в порошке: чем ниже этот показатель, тем выше чистота материала. Показатель «остаток, нерастворимый в соляной кислоте» (контролируется по требованию потребителя) косвенно характеризует содержание неметаллических включений.

Гранулометрический состав порошкового железа

Крупность зерна железного порошка — один из определяющих параметров для технологических задач. ГОСТ 9849-86 устанавливает пять классов крупности: 450, 315, 200, 160 и 71 мкм. Числовое обозначение указывает на верхний предел размера основной фракции.

Для восстановленных порошков предусмотрены классы крупности 450, 160 и 71 мкм, для распылённых — 450, 315 и 200 мкм. Выход каждой фракции нормирован в процентном соотношении. Например, для восстановленного порошка класса 450 выход фракции от 0,450 до 0,315 мм составляет 10–30 %, а фракции от 0,160 до 0,100 мм — 10–25 %.

Порошок с гранулометрическим составом, не указанным непосредственно в стандарте, допускается изготавливать по согласованию изготовителя с потребителем.

Насыпная плотность и уплотняемость

Насыпная плотность — масса порошка, свободно засыпанного в единицу объёма. Этот параметр напрямую влияет на заполнение пресс-формы и, соответственно, на массу и размеры получаемой прессовки. ГОСТ 9849-86 устанавливает пять уровней насыпной плотности:

Допустимый разброс насыпной плотности в пределах одной партии составляет ±0,08 г/см³ для классов крупности 160 и 200 (по требованию потребителя — ±0,05 г/см³) и ±0,10 г/см³ для классов 450, 315 и 71.

Уплотняемость железного порошка при прессовании

Уплотняемость определяет плотность прессовки при заданном давлении — ключевой параметр для порошковой металлургии. ГОСТ 9849-86 нормирует этот показатель для порошков классов крупности 160 и 200 при двух давлениях — 400 и 700 МПа.

По требованию потребителя плотность прессовки порошка ПЖР2 при 700 МПа должна быть не менее 7,1 г/см³. Чем чище порошок (ниже содержание примесей и кислорода), тем выше его уплотняемость и тем плотнее получается прессовка при тех же условиях прессования.

Текучесть и прочность прессовок

Текучесть характеризует способность порошка свободно высыпаться через калиброванное отверстие. Этот параметр определяет скорость заполнения пресс-формы и, следовательно, производительность прессового оборудования. Текучесть измеряют по ГОСТ 20899 с помощью прибора Холла и выражают в секундах на 50 г. Чем выше насыпная плотность порошка, тем лучше его текучесть: для класса насыпной плотности 30 — не более 30 с/50 г, для класса 24 — не более 38 с/50 г.

Прочность прессовки — способность спрессованного, но ещё не спечённого изделия сохранять целостность при транспортировке и загрузке в печь спекания. Определяется по ГОСТ 25282 при плотности прессовки (6,50 ± 0,05) г/см³. Для распылённых порошков ПЖР2 и ПЖР3 требования к прочности ниже, чем для восстановленных, что объясняется различиями в морфологии частиц.

Области применения железного порошка в промышленности

Железный порошок — один из наиболее востребованных металлических порошков. Области его промышленного применения определяются маркой, чистотой и гранулометрическим составом.

Порошковая металлургия

Основная сфера применения. Из железного порошка методами прессования и спекания изготавливают конструкционные детали (шестерни, втулки, кулачки, направляющие), антифрикционные подшипники скольжения, фильтры, магнитные сердечники. Восстановленные порошки марок ПЖВ1–ПЖВ3 с классами крупности 160 и 200 наиболее востребованы для конструкционных и антифрикционных изделий благодаря хорошей формуемости и высокой чистоте. Распылённые порошки ПЖР2 обеспечивают высокую плотность прессовок и применяются при производстве ответственных деталей.

Производство сварочных материалов

Железный порошок входит в состав покрытия сварочных электродов и используется как компонент шихты для порошковой проволоки. Порошки более грубых фракций (классы 315 и 450) и марки с допустимым повышенным содержанием примесей (ПЖВ5, ПЖР5) находят применение в производстве рядовых электродов. Порошок вводят в покрытие электрода для повышения коэффициента наплавки и увеличения производительности сварки.

Химическая промышленность и восстановительные процессы

Тонкодисперсный железный порошок используют как восстановитель в химических производствах, при очистке сточных вод от ионов тяжёлых металлов, в органическом синтезе. Высокая удельная поверхность мелких фракций (класс 71) обеспечивает активность порошка в химических реакциях.

Магнитная дефектоскопия

Магнитный порошок железа применяют для неразрушающего контроля качества деталей — выявления поверхностных и подповерхностных трещин, непроваров, включений. Частицы порошка, нанесённые на намагниченную деталь, скапливаются в зонах дефектов, делая их видимыми. Для этих целей используют тонкодисперсные порошки со специальными магнитными характеристиками.

Другие области применения порошкового железа

Железный порошок также находит применение в производстве обогреваемых элементов (химические грелки), пищевой промышленности (обогащение продуктов железом), полиграфии, при производстве алмазного инструмента (в качестве связки), а также в аддитивных технологиях (3D-печать металлами).

Карбонильное железо — порошок особой чистоты

Отдельную категорию представляет карбонильное железо — порошок, получаемый термическим разложением пентакарбонила железа Fe(CO)₅. Этот метод позволяет получить высокодисперсный порошок с частицами сферической формы слоистой структуры и размером 2–10 мкм. Карбонильное радиотехническое железо регламентируется ГОСТ 13610-79 и выпускается в виде первичных и фосфатированных порошков марок Р-10, Р-20, Пс, Р-100Ф-1, Р-100Ф-2.

Основное назначение — изготовление сердечников катушек индуктивности радиоэлектронной аппаратуры. Карбонильное железо отличается высокими магнитными характеристиками: контролируемой магнитной проницаемостью, низкими потерями на гистерезис и вихревые токи. Содержание металлического железа в карбонильном порошке составляет не менее 97 %, остальное — примеси углерода, азота и кислорода.

Электролитическое железо в виде порошка

Электролитический метод позволяет получить порошок железа высокой чистоты путём катодного осаждения из водных растворов солей железа (чаще всего сульфатов или хлоридов). Осаждённый на катоде слой железа имеет дендритную структуру. После снятия с катода его промывают, сушат, размалывают и рассеивают. Электролитическое железо характеризуется высокой чистотой (содержание Fe может достигать 99,5–99,9 %) и пригодно для изделий ответственного назначения. Порошок также поддаётся дополнительной очистке отжигом в водороде.

Ферросплавы в порошковой форме

Помимо чистого железного порошка, в металлургии и порошковой металлургии широко применяют порошки ферросплавов — сплавов железа с легирующими элементами. Они используются для легирования сталей, при производстве сварочных материалов, изготовлении самофлюсующихся наплавочных порошков и борирующих смесей.

Порошок феррохрома

Феррохром — сплав железа и хрома с минимальным содержанием хрома 45 % по массе. Выпускается по ГОСТ 4757-91. Маркировка: Ф — железо (ферро), Х — хром; цифры после букв в марках высокоуглеродистого феррохрома обозначают максимальное содержание углерода в сотых долях процента (например, ФХ800 — содержание углерода до 8,0 %). Феррохром подразделяется на высокоуглеродистый (марки ФХ650, ФХ800, ФХ850, ФХ900), среднеуглеродистый (ФХ100, ФХ250, ФХ400) и низкоуглеродистый (ФХ010, ФХ025, ФХ050 и др.). В порошковой форме феррохром вводят в состав шихты для легирования спечённых деталей, а также применяют как добавку в сварочные флюсы и электродные покрытия. Хром в составе стали повышает твёрдость, жаростойкость и коррозионную стойкость.

Наплавочные и борирующие порошки на основе железа

Для наплавки деталей, работающих в условиях абразивного и коррозионного износа, используют специальные порошковые композиции на основе железа с добавками хрома, никеля, кремния, бора. Самофлюсующиеся порошки на железной основе позволяют выполнять наплавку без применения отдельного флюса. Борирующие порошки (смеси на базе карбида бора или аморфного бора с железным порошком) применяют для химико-термической обработки — борирования, которое значительно повышает поверхностную твёрдость стальных и чугунных деталей.

Упаковка, транспортировка и хранение железного порошка

Требования к упаковке, транспортировке и хранению железного порошка установлены в разделе 5 ГОСТ 9849-86.

Упаковка порошкового железа

Порошок упаковывают в мешки из полиэтиленовой плёнки по ГОСТ 10354 толщиной не менее 0,18 мм. Масса порошка в одном мешке (упаковочной единице) не должна превышать 25 кг. Заполненные мешки уплотняют, вакуумируют и герметически закрывают для защиты от влаги и окисления. Мешки формируют на поддоне в транспортный пакет и покрывают термоусадочной плёнкой. По согласованию изготовителя с потребителем допускается упаковка в специализированных контейнерах с массой одного места до 5 т.

Транспортировка и хранение

Транспортировка осуществляется всеми видами крытых транспортных средств. Грузовые места массой более 1250 кг перевозят на открытом подвижном составе с соблюдением правил размещения и крепления. Допускается штабелирование пакетов с мешками в два ряда. Хранение — в упаковке изготовителя, в сухом помещении. Влажность порошка при поставке не должна превышать 0,25 %.

Контроль качества и правила приёмки

Порошок принимают партиями массой не более 12 т. Каждая партия должна быть оформлена документом о качестве с указанием наименования предприятия-изготовителя, номера партии, даты изготовления и результатов испытаний.

Определение химического состава проводят по группе стандартов ГОСТ 16412 (методы определения фосфора, кремния, марганца, серы, углерода). Содержание кислорода определяют по потерям массы при прокаливании в водороде (ГОСТ 18897). Гранулометрический состав устанавливают просеиванием по ГОСТ 18318. Насыпную плотность определяют по ГОСТ 19440 с воронкой диаметром выходного отверстия 5 мм. Уплотняемость — по ГОСТ 25280. Прочность прессовки — по ГОСТ 25282. Текучесть — по ГОСТ 20899 (прибор Холла).

Порошок не должен содержать посторонних примесей и комков — это контролируется визуальным осмотром представительной пробы. При получении неудовлетворительных результатов хотя бы по одному показателю проводят повторные испытания на удвоенной выборке.

Критерии выбора марки железного порошка

Выбор конкретной марки определяется назначением, технологическими требованиями и экономическими соображениями. Для конструкционных деталей порошковой металлургии с высокими механическими свойствами применяют порошки высокой чистоты (ПЖВ1, ПЖВ2, ПЖР2) мелких классов крупности (160, 200) — они обеспечивают высокую плотность прессовок и однородность структуры после спекания. Для сварочных электродов допустимы марки с более высоким содержанием примесей (ПЖВ5, ПЖР5) и более грубые фракции — здесь важнее экономическая целесообразность и технологическая совместимость с компонентами покрытия.

При выборе между восстановленным и распылённым порошком учитывают различия в морфологии частиц: восстановленный порошок (иррегулярные пористые частицы) лучше формуется, а распылённый (более гладкие каплевидные частицы) обеспечивает более высокую текучесть и плотность прессовки.

Формы поставки железного порошка

Железный порошок поставляется в следующих вариантах:

По согласованию изготовителя с потребителем допускаются иные виды упаковки, обеспечивающие сохранность порошка при транспортировке и хранении. На каждую упаковочную единицу наносят маркировку с указанием марки, номера партии, даты изготовления и массы.