Порошковая металлургия и композиционные материалы (стр. 10 )

С повышением температуры жидкости снижается растворимость в ней газа, увеличивается число зародышей кавитации, но одновременно возраста­ет и упругость пара, что уменьшает кинетическую энергию при захлопыва­нии пузырька. Поэтому на практике для каждой из жидкостей выбирают оп­тимальную рабочую температуру, при которой наблюдается максимальная интенсивность кавитационного воздействия. Так, для воды и водных раство­ров она составляет 35-50°С; для большинства органических жидкостей с вы­сокой упругостью пара (спирт, бензин, четыреххлористый углерод, ацетон и др.) - 15-20°С; а для органических жидкостей с низкой упругостью пара (глицерин, масла) - 80-85°С.

а        б

Рис. 12. Схемы ультразвуковых установок: а - установка с рабочей ванной конической формы: 1 - излучатель магнитострикционного преобразователя; 2 - корпус ванны; 3 - суспензия порошка; 4 - патрубки для подачи и удаления охлаждающей жидкости; 5 - патрубок для подачи газа; 6 - манометр; 7 - вен­тиль для подачи суспензии; 8 - патрубок для удаления суспензии измельчен­ного порошка; б - установка с ванной цилиндрической формы: 1 - излучатель магнитострикционного преобразователя; 2 - сменный стакан; 3 - суспензия порошка; 4 - душирующее устройство; 5 - съемная крышка; 6 - патрубки для подачи и удаления охлаждающей жидкости; 7 - патрубок для подачи газа

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.

Ультразвуковое диспергирование чаще всего проводят в установках, работающих под повышенным статическим давлением. Их обычно изготов­ляют с вертикальным расположением рабочей ванны цилиндрической или конической формы (рис.12), дно и стенки которой являются излучающими поверхностями ультразвуковых магнитострикционных преобразователей.

Наибольшее распространение имеют установки с ванной цилиндриче­ской формы, выполненной из коррозионно-стойкой стали (например, уста­новка марки УЗВД-6), дно которых является излучающей поверхностью. Для создания избыточного статического давления в установку подается газ (дав­ление газа 0,5-0,6 МПа).

Порошки, получаемые ультразвуковым диспергированием в жидко­сти, не имеют существенных химических загрязнений. Их частицы отлича­ются высокой дисперсностью, отсутствием поверхностных неровностей и округлой формой, часто близкой к сферической.

Измельчение в аппаратах магнитного индукционного вращателя

Измельчение материала в аппаратах магнитного индукционного вра­щателя (МИВ) происходит во вращающемся магнитном поле, в котором движется масса ферромагнитных размольных тел.

Диспергирование осуществляется главным образом самоизмельчени­ем частиц обрабатываемого материала при их многократно повторяющихся соударениях со сдвигом. Строго дозированное импульсное давление на час­тицы с их одновременным сдвигом обеспечивает высокую эффективность аппаратов магнитного индукционного вращателя и практически исключает загрязнение измельчаемого материала посторонними примесями.

Принцип работы таких аппаратов состоит в том, что в емкость прямо­угольного сечения из диамагнитного материала загружается обрабатываемый магнитное  цилиндрические размольные тела. Затем возбуждается вращаю­щееся поле, вызывающее подскоки и вращение размольных тел вокруг собственного центра тяжести, что в результате приводит к измельче­нию обрабатываемого материала.

На эффективность их работы большое влияние оказывает скорость вращения размольных тел, которая лежит в пределах от 3 000 до 8 000 об/мин. Основным элементом аппарата МИВ является полая кольцевая рабочая каме­ра, в которой с помощью вращающихся магнитов возбуждается магнитное поле. Оно воздействует на находящиеся в камере рабочие цилиндрические ферромагнитные тела таким образом, что они переворачиваются, ударяются о поверхность камеры и, подскочив на определенную высоту, в свободном полете вращаются вокруг собственного центра тяжести.

Для эффективного ведения процесса тонкого и сверхтонкого измель­чения материалов требуются размольные тела малой толщины (например, диаметром 0,9 мм и длиной 11 мм), которые располагаются ближе друг к другу, что диктуется максимумом энергии системы.

Процесс самоизмельчения материала происходит в зазорах между вращающимися размольными телами, куда он втягивается под воздействием аэродинамического эффекта разрежения.

Экспериментально доказано, что чем больше масса размольных тел, тем интенсивнее идет измельчение. Вместе с тем при определенной ее кри­тической величине аппарат МИВ перестает работать, что объясняется эффек­том экранирования магнитного поля индукторов самими размольными тела­ми и материалом. Установлено, что аппарат МИВ устойчиво работает при массе размольных тел, равной 80 % их критической массы. Критическую массу размольных тел определяют при холостой работе аппарата, т. е. без за­грузки в него измельчаемого материала.

Контрольные вопросы и задания

Что такое кавитационные полости? Какие процессы развиваются в жидкостях под действием ультразву­ка? Каковы оптимальные частоты ультразвукового разрушения мате­риалов в водной среде? Перечислите механизмы разрушения материалов под действием ультразвука. Назовите основные свойства дисперсионных сред. При каких температурах осуществляют ультразвуковое измельче­ние материалов в различных средах? Перечислите основные факторы, определяющие измельчение мате­риалов в аппаратах МИВ

Диспергирование расплавов

План лекции

Физико-химические и механические процессы при диспергирова­нии расплавов. Классификация методов диспергирования расплавов.

Физико-химические и механические процессы при диспергировании расплавов

Диспергирование расплавленного металла или сплава струей сжатого газа, жидкости или механическим способом позволяет получать порошки, на­зываемые распыленными. Процесс характеризуется высокой производитель­ностью, технологичностью, степенью автоматизации и сравнительно малыми энергозатратами, экологической чистотой. Метод диспергирования расплава дает возможность 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.

Промышленное производство распыленных порошков началось в конце 1930-х гг., но до середины 1950-1960-х гг. оно оставалось малотон­нажным. Однако уже в 1960-х гг. производство распыленных порошков стало активно развиваться в таких странах, как США, Канада, ФРГ, Англия, Япо­ния и Швеция. С 1978 г. производство порошков диспергированием широко использовалось на предприятиях бывшего СССР. Мировой объем производ­ства порошков диспергированием расплавов непрерывно возрастает. В на­стоящее время около 60-70 % всего объема порошков производится именно с помощью этого метода.

Метод распыления широко используют для получения не только по­рошков железа, сталей и сплавов на основе железа, но и порошков цветных металлов и сплавов (алюминия, меди, свинца, цинка, титана, вольфрама и др.).

Распыление весьма эффективно при производстве порошков много­компонентных сплавов и обеспечивает получение порошков с аморфной структурой, которая позволяет достичь равномерного химического состава композиции, даже при содержании легирующих компонентов выше их пре­дела растворимости в основном компоненте сплава. Кроме того, порошки, полученные с использованием методов диспергирования расплавов, имеют оптимальное строение и тонкую структуру каждой образующейся частицы. Это связано с кристаллизацией дисперсных капель расплава с высокими ско­ростями охлаждения (до нескольких десятков и даже сотен миллионов граду­сов в секунду).

Все металлические расплавы обладают близкой к нулю механической прочностью, относительно небольшой вязкостью и склонны к хрупкому раз­рушению при воздействии на их струю потока газа или жидкости. По совре­менным представлениям плавление, разрушая кристаллическую решетку как жесткую систему колебаний атомов, нарушает межатомные связи дальнего порядка, но сохраняет ближний порядок, т. е. упорядоченность атомов, при­сущую соответствующей решетке.

сформулировал положение, согласно которому с тер­модинамической точки зрения металлическую жидкость вблизи точки кристал­лизации можно рассматривать как твердое, но сильно разрыхленное тело с множеством разрывов (дыр) между некоторыми соседними атомами при нали­чии связи со всеми остальными; дыры быстро залечиваются и появляются вновь.

Для процесса диспергирования наиболее важны вязкость, поверхност­ное натяжение и плотность расплава.

Вязкость или обратное ей свойство текучесть характеризует сопро­тивление жидкости сдвигу, объясняется наличием у нее свободного, т. е. до­полнительного по отношению к твердому телу, объема и определяется глав­ным образом прочностью межатомной связи и плотностью упаковки атомов. Для гомогенной жидкости она зависит от температуры, а для гетерогенной жидкости - еще и от формы, размеров и числа включений.

Поверхностное натяжение расплава характеризует работу образова­ния физической поверхности раздела фаз, отнесенную к единице поверхно­сти, и существенно влияет на процессы, сопровождающие диспергирование. Оно зависит от температуры расплава, уменьшаясь с ее повышением.