Практическое занятие 4.1
Средства автоматизации в технологиях изготовления сверхтвердых композитов
Аннотация
Оборудование, используемое при приготовлении гомогенных порошковых смесей на основе кубического нитрида бора.
Опыт использования полуавтоматических режимов при массовом синтезе сверхтвердых материалов.
Типы приборов для управления температурными режимами воздействия при спекании и стабилизации усилия.
Важнейшими операциями в технологическом процессе получения сверхтвердых композитов на основе кубического нитрида бора является подготовка к спеканию микропорошка, доведение его в случае необходимости до субмикроразмеров и получение гомогенных смесей с активаторами спекания.
Как правило, в таких процессах используется стандартное оборудование (смесители, мельницы), устройство и назначение которого рассматривалось в лекциях. Поэтому на практическом занятии целесообразно рассмотреть принципы работы нестандартного оборудования, которые могут быть полезны при работе с высокодисперсными порошками керамик.
Одним из таких устройств является сепаратор-дезинтегратор, общий вид которого и элементы рабочей камеры представлены на рисунках 1 и 2.
Дезинтегратор состоит из следующих основных частей: стойки-основания, рабочей камеры, электромоторов-приводов на корпусе и крышке, дозатора, системы прямого измельчения, сепарационной системы, ступиц и роторов.
Обрабатываемый порошок подается через дозатор в центр рабочей камеры. Ударяясь о пальцы, материал приобретает скорость и центробежной силой выбрасывается на следующий ряд пальцев ротора, вращающегося в противоположном направлении. В режиме сепарационного измельчения порошок заданной мелкой фракции отводится из рабочей камеры восходящей воздушной струей и выгружается через циклоны, а более крупный порошок снова подается в рабочую камеру на доизмельчение. Подбором скорости вращения роторов и времени измельчения достигается степень размола хрупких порошков до единиц и десятых долей микрометров. Роторы устройства состоят из мелющих элементов, которые прикреплены на кольцах. Скорость вращения роторов может регулироваться в пределах от 1000 до 16000 об/мин.
Общий вид дезинтегратора
1 – дозатор, 2 – рабочая камера, 3 – сепаратор, 4 – блок управления
Рабочая камера
1 – корпус, 2 – ротор, 3 – корзина
В режиме работы сепаратора отвод материала из рабочей камеры осуществляется методом восходящих струй. Основными узлами устройства являются: загрузочное устройство (дозатор), рабочая камера, электромоторы привода на корпусе и на крышке рабочей камеры, механизм сепарации, пульт управления, ступицы и роторы, циклон-приставка.
Для перевода микронные порошков хрупких и твердых материалов (алмаза, нитрида бора и др.) в субмикронный диапазон необходим сильный разгон измельчаемых частиц и обеспечение их длительного удержания в зоне рабочей камеры.
Для предварительного измельчения и овализации порошков кубического нитрида бора можно использовать также вихревой электромагнитный смеситель. Это устройство состоит из индуктора вихревого магнитного поля и стального контейнера, в который помещается измельчаемое вещество и рабочие элементы - стальные иголки. Снаряженный контейнер вставляется в индуктор. Обработка на установке осуществляется путем воздействия переменного магнитного поля на смесь рабочих элементов и измельчаемого порошка. Совокупность иголок, движущихся по сложным (из-за взаимных соударений) траекториям на больших скоростях, увлекает за собою измельчаемое вещество. Частицы порошка соударяются, сталкиваются со стальными иголками, стенками контейнера, в результате чего происходит интенсивное диспергирование и овализация исходного порошка.
Продукт обработки имеет дисперсность, регулируемую временем обработки. Корректируется форма частиц за счет округления выступающих частей, а также качество (прочность) обрабатываемого порошка, так как при вихревой обработке в первую очередь разрушаются частицы, имеющие дефекты структуры - трещины, микровключения и т. п. Вихревой обработке могут подвергаться практически любые порошки сверхтвердых материалов зернистостью от 1мкм.
В промышленном синтезе сверхтвердых материалов автоматические или полуавтоматические линии широко используются для изготовления деталей сборки контейнеров и их снаряжения. В процессе синтеза возможно применение автоматического извлечения продукта синтеза из камер высокого давления роторных прессов и загрузки снаряженных контейнеров. Роль оператора синтеза в этом случае заключается в контроле и регулировании термобарических режимов в соответствии с качеством и состоянием оснастки (опорные плиты, блок-матрицы).
Для управления температурными режимами при спекании сверхтвердых композитов успешно используются контроллеры синтеза, позволяющие отслеживать процессы нагрева и программировать режим температурного воздействия с заданием скорости подъема мощности и программы ее изменения в процессе. Причем стабилизацию можно проводить по любому из выбранных параметров – мощности, силе тока или напряжению. Контроллер синтеза обеспечивает следующие параметры:
- дискретность обсчета и выдача управляющего воздействия на регулирующий элемент не более 0,02 с,
- количество участков программы синтеза, задаваемой оператором, от 1 до 25, а продолжительность отдельного участка от 1 до 60 сек.
Специализированный роторный пресс ДО 138Б, оснащенный контроллером синтеза
Такие возможности позволяют легко подстраиваться под принципиально разные схемы синтеза или спекания сверхтвердых композитов, поскольку в зависимости от процесса параметры реакционной шихты в ходе синтеза могут сильно меняться. На рисунке показан пример изменения сопротивления алмазного компакта в процессе инфильтрации в него жидкого кремния.
Изменение сопротивления в реакционном объеме
при инфильтрации кремния в алмазный компакт
