Глава 1. Классификация методов получения порошков (стр. 9 )

(4.8)

где Iо — интенсивность света, прошедшего через слой суспензии толщиной l; — интенсивность падающего (в данном случае прошедшего через чистую дисперсионную среду) света; с— концентрация суспензии или количество частиц в ней; х— коэффициент, пропорциональный удельной поверхности частиц (его часто называют коэффициентом светопоглощения, ослабления, затухания, угасания и т. п.).

Приборы, основанные на этом принципе, называют турбидиметрами; например, Гипроцветмет разработал турбидиметры типа АФС-2 с автоматической регистрацией результатов.

При весовой седиментации можно периодически отбирать пробы суспензии с одной и той же высоты сосуда пипеткой; после фильтрации, высушивания и взвешивания строят кривую оседания, по которой рассчитывают распределение частиц по размерам.

Для оценки оптической плотности суспензии кроме светового потока можно применять рентгеновские и лазерные лучи, β- или γ-излучение и т. д. По принципу оценки поглощения рентгеновских лучей на различной высоте седиментационной ячейки работает высокопроизводительный прибор «Седиграф-5000» (Франция), позволяющий за несколько секунд получить кривую распределения частиц по размерам в диапазоне 0,1—100 мкм.

В Томском НИИ прикладной механики и математики создан воздушно-центробежный классификатор ВЦК-4. Порошок из дозатора поступает в рабочую зону прибора, образуемую ротором и профильным диском 4. Частицы размером больше граничного выбрасываются в бункер приема крупной фракции, а мелкие частицы с потоком воздуха поступают в циклон (на рисунке не показан), где и оседают в бункере приема мелкой фракции. Диапазон изменения границ разделения частиц по размерам 5—200 мкм; шаг разделения в диапазоне размеров 5—100 мкм составляет 5—10 мкм, а в диапазоне 100—200 мкм — 10—20 мкм. Производительность аппаратов различного типа 6—1000 кг/ч при расходе воздуха 0,8—1,5 м3/кг порошка

Кондуктометрический анализ. Метод импульсной кондуктометрии предложен в 1949 г. Коултером и предусматривает определение фракционного состава порошка в электрическом поле. Идея метода проста, но чрезвычайно эффективна: если электропроводящую суспензию (взвесь порошка в электролите) перекачивать из одного объема в другой через короткий канал очень малого диаметра, а металлические электроды поместить раздельно в каждый из этих объемов, то при прохождении частицы через этот канал объем электролита в межэлектродной области изменится и на короткое время резко изменится электросопротивление в канале, что вызовет токовый импульс в цепи нагрузки. Длительность токового импульса зависит от скорости прохождения частицы по каналу, а амплитуда — от объема частицы (следовательно, и от ее линейного размера), электропроводности ее материала и некоторых других факторов. При последовательном прохождении по каналу частиц различного размера возникают соответствующие импульсы разной амплитуды, что фиксируется соответствующей аппаратурой. Зная функциональную зависимость, связывающую эти амплитуды с линейным размером частиц, можно определить величину последних.

Лазерный и рентгеновский методы. Лазерный метод определения фракционного состава порошка основан на явлении рассеивания когерентного монохроматического лазерного луча частицами порошка; величина углового рассеяния тем больше, чем мельче частицы.

На рис. 100 приведена схема лазерного анализатора размера частиц. Суспензия порошка в нейтральной жидкости непрерывно прокачивается по каналу 2 перпендикулярно лучу от гелий-неонового лазера /. Световой поток при прохождении через суспензию равномерно рассеивается частицами порошка по конусу с осью вдоль луча лазера. С помощью линзы 3 рассеянный поток фокусируется в цилиндрический световой поток, который поступает на плоский вращающийся щелевой фильтр 4. Этот фильтр обеспечивает непрерывную развертку светового луча на также вращающийся перфорированный диск 5, отверстия которого расположены на различных расстояниях от оси вращения по спирали Архимеда.

Удельная поверхность

Удельная поверхность порошка представляет собой сумму наружных поверхностей всех частиц, составляющих единицу его массы или объема. Для металлических порошков характерна поверхность от 0,01 до 1 м2/г, хотя во многих случаях она может достигать даже 15—20 м2/г. Удельная поверхность порошка зависит от размера и формы частиц, а также степени развитости их поверхности, возрастая с уменьшением размера, усложнением формы и увеличением шероховатости поверхности частиц. Это важная характеристика порошка, во многом определяющая его поведение при последующих операциях формования и спекания.

Наиболее часто для определения удельной поверхности порошка используют методы измерения его газопроницаемости и адсорбции.

Методы измерения проницаемости порошка. Эти методы основаны на оценке фильтрационных процессов при прохождении потока газа через слой порошка с известной относительной плотностью. Скорость, с которой газ фильтруется через пористый слой материала, обратно пропорциональна квадрату удельной поверхности порошка. Фильтрация газа может происходить в двух режимах течения — вязком и молекулярном. Первый из них реализуется при просасывании газа через слой порошка при давлении, близком к атмосферному; в этом случае пористое тело представляется как тема капилляров, по которым движется ламинарный поток газа с определенной скоростью.

Адсорбционные методы. Эти методы считают наиболее точными и универсальными для определения полной (суммарной) поверхности дисперсных тел. В их основе лежит определение количества вещества, адсорбированного на поверхности твердых частиц в виде плотного мономолекулярного слоя. Если площадь, занимаемая каждой молекулой, известна, а масса адсорбированного газа измерена, то может быть рассчитана площадь, покрытая газом-адсорбатом, т. е. площадь поверхности исследуемой навески порошка. В реальных условиях объем адсорбированного газа будет зависеть от давления газа в системе и может существенно превышать объем газа, молекулы которого располагаются в виде монослоя.

Адсорбционные методы определения удельной поверхности порошков делят на статические (манометрические, весовые или с использованием калиброванного капилляра) и динамические, часто называемые хроматографическими.

Среди статических более распространены манометрические методы. Наиболее известный из них — метод БЭТ, названный по начальным буквам фамилий американских ученых Брунауэра, Эммета и Теллера, разработавших его в середине 30-х годов. Они предложили в качестве газа-адсорбата взять азот и проводить его адсорбцию на частицах порошка при —196 °С (температура жидкого азота). Типичная кривая адсорбция газа приведена на рис. 105. Общий объем газа V, адсорбированный поверхностью твердого тела, может быть выражен уравнением БЭТ:

(4.12

где с — константа; Vm — объем газа-адсорбата в виде монослоя; р — реальное давление газа; рs — давление насыщенного газа.

Плотность

Плотность частицы порошка зависит от природы ее материала, размера, совершенства внутренней макро - и микроструктуры, химической чистоты (наличия оксидов, нитридов и др.) и т. д. Для сплавов плотность частиц зависит также от равномерности распределения в них легирующих элементов и фаз. Поэтому реальная плотность частицы всегда отличается от плотности, приводимой в справочниках для соответствующих материалов. Наибольшее отклонение плотности от теоретической наблюдается у восстановленных порошков, что объясняется присутствием остаточных оксидов, наличием микропор и пр.

Пикнометрическую (истинную) плотность частиц порошка определяют при помощи мерных сосудов-пикнометров. Сначала определяют массу сухого пикнометрического сосуда М, затем его массу с дистиллированной водой М1 налитой до метки на поверхности сосуда. Зная плотность воды при температуре опыта γв, определяют объем пикнометра Vпикн.-

4.15)

Эта величина является постоянной для данного пикнометра. Высушенный пикнометр заполняют на 0,5—0,7 объема исследуемым порошком и взвешивают, фиксируя М2. После взвешивания в пикнометр заливают пикнометрическую жидкость до заполнения его на 0,75—0,8 объема, тщательно взбалтывают, а лучше вакуумируют до остаточного давления, определяемого упругостью пара используемой пикнометрической жидкости. Затем доливают пикнометрическую жидкость (если проводили вакуумирование, то сначала вакуум снимают) до метки на поверхности сосуда и взвешивают пикнометр с порошком и жидкостью, получая М3. Рассчитывают объем жидкости в пикнометре Vж:

VЖ =(M3— М2)/γж, (4.16)

где γж — плотность пикнометрической жидкости. Теперь можно определить пикнометрическую плотность частиц порошка γпикн.

. (4.17)

Пикнометрическая жидкость не должна взаимодействовать с материалом порошка и должна хорошо его смачивать; значения упругости паров, вязкости и размера молекул жидкости должны быть по возможности минимальными. При использовании пикнометрической жидкости с большим размером молекул мельчайшие трещины и поры частиц порошка не будут заполнены ею полностью, проба порошка сохранит часть заключенного в ней воздуха и значение рассчитанной величины γпикн окажется заниженным. Наиболее широко используют керосин, спирты, бензол, ацетон.

Наряду с жидкостной может быть применена и газовая пикнометрия, при которой истинную плотность частиц порошка рассчитывают, используя данные о вытеснении газа (воздуха, гелия и др.) из калиброванного объема пикнометра.

Микротвердость

Микротвердость частиц порошка позволяет косвенно оценивать их способность к деформированию. Ее величина зависит от природы и химической чистоты металла, а также условий предварительной обработки порошка, изменяющей структуру его частиц. Деформируемость металла имеет важное значение для оценки технологических свойств порошков, главным образом их прессуемости. Пластичность порошка в значительной степени определяет условия формирования и прочность заготовок, требуемую мощность прессо­вого оборудования, стойкость пресс-формы и т. п. Удобной мерой пластичности порошка является микротвердость его частиц, которую определяют измерением диагонали отпечатка при вдавливании алмазной пирамидки (угол при вершине 136 °) под действием небольших нагрузок (0,5—200 г) в шлифованную поверхность частицы. Исследуемый порошок смешивают с бакелитом или оргцементом типа АКР. Смесь прессуют при давлении 100—200 МПа в небольшие брикеты, которые затем нагревают при 100—140 °С для полимеризации наполнителя. Затем эти брикеты с одного из торцов шлифуют и полируют. Для замера микротвердости используют приборы ПМТ-2 или ПМТ-3.