Глава 1. Классификация методов получения порошков (стр. 2 )

В жидкой среде под воздействием ультразвука определенной мощности нарушается сплошность и появляются разрывы в виде каверн (полостей), которые активно пульсируют, растягиваясь в фазе разрежения звуковой волны и сжимаясь в фазе сжатия. Эти пульсирующие полости называют кавитационными, а процесс их развития во времени — ультразвуковой кавитацией. Реальные жидкости разрываются уже при давлениях, равных или близких давлению упругости их паров, что объясняют наличием в них примесей, в том числе газовых пузырьков размером от десятых долей до нескольких микрометров (зародыши кавитации) и твердых частичек.

Кавитационные процессы наступают лишь для тех кавитационных пузырьков, начальный радиус которых Ro больше некоторого критического радиуса Rкр, но меньше резонансного Rрез (т. е. такого размера, когда собственные частоты колебаний пузырька совпадают с частотой налагаемого поля). При R0<Rкр пузырьки вследствие большого поверхностного натяжения не участвуют в кавитации при данном звуковом давлении, а при Ro > Rрез они вытесняются на поверхность жидкости. При R0 ≥ Rкр пузырек теряет устойчивость и выходит из состояния равновесия. Значение Rкр определяют из выражения

RКр= 1,ЗЗσ/(0,7Рa. + Рп — Ро),

где σ — коэффициент поверхностного натяжения жидкости; Ра — звуковое давление; Рп — упругость пара жидкости; Р0 — статическое давление в объеме жидкости.

В воде при нормальных условиях Rкр составляет десятые доли микрометра, а Rрез для 20 кГц — сотни микрометров и для 1 МГц — несколько микрометров. C повышением частоты ультразвука пузырьки в процессе кавитации все более уменьшаются и в какой-то момент их энергия становится недостаточной для кавитационной обработки материалов. Это обстоятельство предопределяет выбор диапазона низких частот (практически 18—22 кГц) для ультразвукового диспергирования при получении металлических порошков.

Механизм ультразвукового диспергирования заключается: а) в разрушении частиц порошка под воздействием энергии, освобождающейся при захлопывании (в фазе сжатия) кавитационных пузырьков (кавитационное разрушение); б) во взаимодействии частиц, перемещаемых в жидкой среде акустическими потоками различной масштабности (гидроабразивное разрушение).

Кавитационное разрушение твердой частицы объясняется образованием на ее поверхности в местах с повышенной концентрацией напряжений (микротрещины, неровности поверхности и т. п.) зародышей, кавитационных пузырьков, пульсация которых приводит к заполнению жидкостью поверхностных пор, углублений и микротрещин, а затем и к захлопыванию самих кавитационных пузырьков. Оно связано как с возникновением в момент захлопывания сферического газового пузырька ударной волны в непосредственной близости к нему, так и с ударным действием микроструй жидкости, образующихся перед захлопыванием кавитационных пузырьков из-за отклонения формы их поверхности от сферической. Если кавитационный пузырек меньше порошинки, он захлопывается с образованием микроструй, если больше — с образованием ударной волны. В любом случае к твердым частицам прилагаются напряжения порядка 102—103 МПа, вполне достаточные для преодоления прочности реальных твердых материалов, пониженной из-за наличия у них различного рода дефектов. Центр захлопыва­ния кавитационного пузырька расположен не на поверхности частицы порошка, а на некотором удалении от нее.

Гидроабразивное разрушение твердых частиц связано с их соударениями при движении в жидкости под действием акустических потоков, образующихся в объеме жидкости, и микропотоков, возникающих на стадии захлопывания кавитационного пузырька в его окрестностях. Оно является следствием как прямого удара о поверхность, так и скольжения, сопровождающегося ударами о микронеровности. Скорости акустических потоков в ультразвуковых технологических установках, работающих на частотах 15—44 кГц, не превышают 1—1,5 м/с. Скорость микропотоков, возникающих при вторичном расширении кавитационной полости, достигает 1500—2000 м/с, т. е. скорости звука в жидкости; возможны даже сверхзвуковые скорости порядка 104 м/с. Скорость образующихся при кавитации микроструй жидкости, радиус которых по порядку величины соответствует минимальному радиусу кавитационных пузырьков, близка к скорости их захлопывания (от сотен до несколь­ких тысяч метров в секунду). Скорости частиц порошков зависят от их размера и определяются скоростью соответствующих потоков. Так, чтобы частицы могли перемещаться со скоростью соответствующих потоков, их размер не должен превышать 100 мкм для акустических потоков и быть меньше 0,1 мкм для микропотоков и микроструй. Расчеты показывают, что кинетической энергии твердых частиц достаточно для разрушения их агломератов и поверхностных слоев в процессе соударений.

Эффективность ультразвукового диспергирования порошка зависит от структурно-морфологического состояния его частиц, проч­ностных характеристик измельчаемого материала, параметров ультразвукового поля, продолжительности процесса и свойств жидкой среды. Наиболее существенное влияние на диспергирование оказывают свойства жидкости и прежде всего ее эрозионная активность. Она для воды значительно выше, чем для органических раст­ворителей (таких как трихлорэтилен, четыреххлористый углерод, спирт, бензин, ацетон и др.), у которых упругости паров Рп больше, чем у воды (при высокой упругости пара внутри кавитационной полости микроударное действие кавитации резко снижается). Повышенное поверхностное натяжение жидкости также снижает ее кавитационное действие из-за ухудшения смачивания помещен­ных в нее твердых частиц и условий проникновения жидкости в тре­щины, зазоры и неровности на их поверхности. Поверхностно-активные вещества, создающие на поверхности твердой частицы тончайшие адсорбционные слои и уменьшающие коэффициент поверхностного натяжения, усиливают процесс кавитации. Повышение вязкости жидкости снижает, как правило, ее эрозионную активность из-за потерь акустической энергии. Однако при больших интенсивностях ультразвука (т. е. энергии, излучаемой в среду с единицы излучающей поверхности в секунду) и высоковязких жидкостей (50—100 Па. сек) эрозионная активность повышается, так как силы вязкого трения, играя роль избыточного статического давления, ускоряют захлопывание кавитационной полости и возникновение ударной волны. С повышением температуры жидкости снижается растворимость в ней газа и увеличивается число зародышей кавитации, но одновременно возрастает упругость пара в образовавшейся кавитационной полости, что уменьшает кинетическую энергию при захлопывании пузырька. Поэтому существует оптимум температуры для каждой жидкости, при котором интенсивность кавитационного воздействия максимальна: для воды и водных растворов 35—50 °С, для большинства органических жидкостей с высокой упругостью пара (спирт, бензин и др.) 15—20 °С, а с низкой (глицерин) 80—85 °С.

Объемная концентрация твердых частиц в жидкости (концентрация суспензии) соответствует обычно отношению Т : Ж от 1:8 до 1 : 20 (чем концентрированнее суспензия, тем крупнее получаемый порошок при прочих равных условиях; большая дисперсность достигается при меньшем коэффициенте заполнения суспензией рабочего объема ванны диспергирования). Время, необходимое для измельчения материала до требуемой дисперсности, зависит от физических и механических свойств его частиц, а также интенсивности ультразвуковой кавитации. Обычно оно составляет от 5—10 до 30—60 мин: при меньшей длительности обработки измельчение недостаточно, а при более длительной возникает агрегация частиц с образованием крупных конгломератов.

На процесс ультразвукового диспергирования влияет исходное состояние частиц измельчаемого материала: наличие пористости в объеме частиц и примесей на границах между зернами снижает прочность материала и усиливает процесс его разрушения в кавитационных областях.

§ 2. ДИСПЕРГИРОВАНИЕ РАСПЛАВОВ

Распыление металлического расплава — способ получения металлического порошка диспергированием расплавленного металла или сплава струей сжатого газа, жидкости или механическим путем

Диспергирование расплавленного металла или сплава струей сжатого газа, жидкости или механическим способом позволяет получать порошки, называемые распыленными. Процесс характеризуется высокими производительностью, технологичностью, степенью автоматизации и сравнительно малыми энергозатратами, экологически чистый.

Промышленное производство распыленных порошков началось в конце 30-х годов, но до середины 50-х годов оно оставалось малотоннажным. Так, в 1950 г. в США, Канаде, Швеции, Англии и других странах распыленные железные порошки не производили. Однако уже в 1959 г. годовое производство их составило в США и Канаде 6000 т, в ФРГ 2200 т и в Англии 500 т, а в 1973 г.— соответственно 30000, 11000 и 3500 т. В конце 60-х — начале 70-х годов их производство началось в Японии (в 1973 г. 16000 т) и в Швеции (в 1973 г. 1000 т), а с 1978 г. в СССР. В 1980 г из 545 тыс т производственных мощностей капиталистических стран по выпуску таких порошков на установки распыления приходилось 257 тыс т, а к середине 80-х годов соотношение таких мощностей составило 1 : 1. В СССР к концу 1990 г. планировалось соотношение 4,5 : 1 в пользу распыленных порошков.

В настоящее время метод распыления широко используют для получе­ния не только порошков железа, сталей и других сплавов на основе железа, но и порошков алюминия, меди, свинца, цинка, тугоплавких металлов (титана, вольфрама и др.), а также сплавов на основе этих цветных металлов. Отметим, что распыление весьма эффективно при получении порошков многокомпонентных сплавов и обеспечивает объемную равномерность химического состава, оптимальное строение и тонкую структуру каждой образующейся частицы. Это связано с перегревом расплава перед диспергированием, приводящим к высокой степени его однородности на атомарном уровне вследствие полного разрушения наследственной структуры твердого состояния и интенсивного перемешивания, и кристаллизацией дисперсных частиц с высокими скоростями охлаждения — от 103—104 до нескольких десятков и даже сотен миллионов градусов в секунду.

Метод диспергирования расплава позволяет также оперативно увеличить производство металлического порошка с контролируемыми свойствами при относительно низких затратах (в том числе капитальных) и использовать в качестве исходного материала отходы металлообрабатывающей промышленности.