Порошковая металлургия и композиционные материалы (стр. 11 )

Плотность расплава линейно зависит от температуры нагрева, уменьшаясь с ее повышением из-за увеличения объема металлической жид­кости и появления в ней новых «дырок».

Таким образом, на структуру, физические свойства и форму частиц распыленного порошка большое влияние должен оказывать перегрев распла­ва над ликвидусом.

Истекающая из отверстия струя жидкости при отсутствии видимого внешнего воздействия как бы самопроизвольно разрушается. Происходит это вследствие неустойчивости ее движения при воздействии малых возмуще­ний, создаваемых шероховатостью стенок канала и отклонением формы его выходного отверстия от идеальной, нестабильностью скорости истечения струи, а также неоднородностью трения на границе жидкость - окружающая среда.

Возникающая в струе расплава пульсация рождает волну с растущей амплитудой. Размер капли зависит от длины этой волны и соответствует ее оптимальной величине.

Внешнее воздействие на струю (обдув потоком газа или жидкости, электромагнитными волнами, мощными импульсами тока и пр.) интенсифи­цирует процесс ее разрушения и повышает дисперсность капель. При этом жидкость (массивный объем расплава) необходимо преобразовать в такую форму, которая бы обладала наибольшей поверхностной энергией (тонкая струя, пленка) и, соответственно, максимальной неустойчивостью.

Более интенсивное и упорядоченное дробление струи жидкости с сечением любой формы обеспечивает наложение высокочастотных колебаний как на нее, так и на распыливающий газ-энергоноситель. Вторичное диспергирование образовавшихся первичных крупных капель при пневмоакустическом распылении (акустическая энергия подводится к струе или пленке рас­плава через газ) связано с воздействием на них ультразвуковых колебаний и ударных волн, генерируемых излучателем. Крупная капля по мере движения в направлении излучателя деформируется, затем останавливается, расплю­щивается, вытягиваясь в пленку в вертикальной плоскости, и дробится на бо­лее мелкие капли. Эти возникающие мелкие капли попадают в поток газа, где происходит их дальнейшее разрушение под воздействием его аэродинамиче­ского скоростного потока (как это осуществляется и при распылении сжатым газом, рассмотренном выше).

Эффективное диспергирование металлического расплава требует под­держания его высокой температуры (обеспечения перегрева) и сохранения в допустимых пределах значений основных физико-химических параметров на протяжении всего процесса распыления. Это существенно усложняет техно­логию, так как указанные выше физические параметры расплава значительно изменяются в ходе диспергирования, и, если расплав дополнительно не по­догревать, процесс распыления может прекратиться.

Механизм диспергирования расплава водой высокого давления прин­ципиально отличается от механизма распыления сжатым газом, так как жид­кость имеет высокую плотность (примерно в 1 000 раз выше плотности воз­духа), происходит образование пара в зоне непосредственного контакта воды с расплавом (меняются теплофизические характеристики процесса), наблю­дается более интенсивное охлаждение образовавшихся капель-частиц.

Непосредственное воздействие на струю расплава и отдельные капли - частицы из нее в зоне эффективного дробления оказывает сжатый перегре­тый пар, плотность которого существенно ниже плотности воды. При этом струя расплава дробится на капли, которые затем вторично диспергируются через окружающую их паровую оболочку (пленку).

При распылении струи металлической жидкости газовым потоком возникшие двухфазные системы газ-жидкость и газ-твердое образуют ме - таллогазовый факел, представляющий собой непрерывно пульсирующую двух - или трехфазную смесь жидких и твердых металлических частиц в газе. В нем происходит взаимодействие газового потока с расплавом, теплофизические характеристики и агрегатное состояние которого меняются (расплав и капли остывают, взаимодействуют с окружающей средой и пр.), и отдельных капель между собой. Эти процессы по существу определяют свойства полу­чаемого порошка, прежде всего размер и форму его частиц.

Распад струи ньютоновской жидкости под действием газового потока можно описать с помощью следующей критериальной функции:

где d - средний диаметр частиц-капель; D - диаметр струи расплава; Wе - критерий Вебера (характеризует соотношение сил инерции и поверхностно­го натяжения);Lр - критерий Лапласа (характеризует соотношение сил вяз­кости и поверхностного натяжения); M, N - критерии, характеризующие со­отношение плотности газа-энергоносителя и расплава, вязкости газа-энергоносителя и расплава.

Приведенные критерии можно определить, используя следующие от­

ношения:

                       (5)

где Vг, Vж - скорости газового потока и расплава; гг, гж - плотности газа и расплава; зг, зж - вязкости газа и расплава; у - поверхностная энергия; D0- диаметр первоначальной пряди расплава.

Размер образующихся частиц порошка можно оценить по эмпириче­ской формуле

               (6)

где ДV - относительная скорость газового потока; уж, гж, зж, - соответст­венно, поверхностная энергия, плотность, вязкость и удельный расход распла­ва; Gг - удельный расход газа-энергоносителя.

Существует физический предел диспергирования металлических жид­костей, в связи с чем повышение параметров процесса диспергирования (скоро­сти и температуры газа или температуры расплава) не приводит к получению более дисперсных порошков. Установлено, что величина перегрева расплава и температура газа-энергоносителя влияют на фракционный состав порошка.

В первый момент образования любые капли (крупные первичные, средние и мелкие вторичные) жидкого металла имеют неправильную форму и под действием сил поверхностного натяжения стремятся к минимизации поверхности, т. е. принять сферическую форму. Однако стремление капель к сфероидизации может не реализоваться, если она быстро затвердеет. Поэто­му, если время сфероидизации капли меньше времени ее затвердевания, то она успеет принять форму шара, если же это не так, то образуются твердые частицы неправильной формы.

Приближенная оценка времени сфероидизации может быть проведена с использованием следующей формулы:

(1.15)

                                       (7)

где R - радиус шара, образовавшегося из указанной пряди (цилиндра); r - ра­диус пряди, возникшей в первый момент диспергирования (если принять, что она имеет форму цилиндра с отношением длины к диаметру, равным 10).

Расчет по приведенной формуле дает заниженное значение , так как не учитывает взаимодействие расплава с окружающей средой (например, окисление его поверхностного слоя) и некоторые другие факторы.

Время затвердевания фзатв жидкой капли диаметром d складывается из времени ее охлаждения до температуры затвердевания фохл и времени выде­ления скрытой теплоты кристаллизации фкр. Приближенно его можно оценить по уравнению

                (8)

где сж - теплоемкость расплава; а - коэффициент теплоотдачи от расплава к энергоносителю; Тпов, Тпл, Тг - температуры, соответственно, поверхности расплава, плавления диспергируемого материала и энергоносителя; m, S - масса и поверхность образующейся капли; L - удельная теплота кристалли­зации расплава; g - тепловой поток с поверхности капли.

Во многих случаях фохл - 0,01-0,1 с, фкр /фохл - 3,7. Скорость охлажде­ния зависит от условий теплообмена капли расплава с окружающей средой и

может составлять от 103 до 1010 °С/с.

При распылении расплава водой высокого давления размер частиц по­рошка зависит от ее скорости и удельного расхода. По эмпирической форму­ле для стали средний диаметр капли dср, мкм, равен

                                               (9)

где Wв - скорость потока воды, м/с; n - число капель расплава, образующихся при ударе с каплей воды (n = 1, когда каждая капля воды вызывает образова­ние одной капли расплава).

Критическую скорость потока воды можно оценить по выражению

                                               (10)

Например, для получения частиц стали с максимальным диаметром dкр = 100 мкм значение Wвкр, ниже которого будут образовываться частицы большего размера, должно составлять 112 м/с (соответствующее давление воды 6,4 МПа).

Оценить фохл можно аналогично случаю распыления расплава газом, а фсф - по уравнению

                                               (11)

где хк - объем капли расплава; гв, гвозд - плотности воды и воздуха соответст­венно.

Ориентировочно при температуре расплава выше 500 °С отношение фохл /фсф > 1 и получают порошок со сферической формой частиц, а при тем­пературе расплава ниже 400 °С это отношение меньше единицы и форма об­разующихся частиц неправильная.

На форму частиц порошка большое влияние оказывают скорость, удельный расход и угол атаки струи воды-энергоносителя, физические свой­ства расплава и другие факторы.