Порошковая металлургия и композиционные материалы (стр. 14 )

Физико-химические способы. Их применяют преимущественно для из­готовления совершенных нитевидных кристаллов высокой прочности. Среди этой группы способов основным является метод получения усов восстанов­лением различных соединений металлов.

В качестве исходных материалов используют галогениды, сульфиды, оксиды и газообразные или твердые восстановители. Тонкие нитевидные кристаллы растут при определенных условиях восстановления (температура, парциальное давление восстанавливаемого соединения, свойства восстанови­теля и др.), причем большинство кристаллов при оптимальных условиях про­цесса получаются гладкими и прямыми, диаметр их 1-20 мкм, а длина - от нескольких сот микрометров до нескольких десятков сантиметров. На прак­тике применяют следующие температурные режимы восстановления галоге­нидов: для меди - 650 °С, железа - 730-760 °С, никеля - 740 °С, кобальта - 750 °С, марганца - 940 °С. Повышение температуры восстановления сверх опти­мальной приводит сначала к возникновению пластинчатых образований, а затем к росту крупных, хорошо развитых кристаллов, тогда как усы не образуются.

Нитевидные кристаллы могут быть получены выращиванием из пере­сыщенной газовой фазы. Так как в этом случае усы растут за счет притока атомов из газовой фазы, то с повышением температуры скорость роста и диаметр усов увеличиваются. Процесс проводят в предварительно вакуумированной камере, по длине которой создают перепад температур, зависящий от характера (природы) материала получаемых усов. Испарением в вакууме с последующей конденсацией паров получают усы цинка, серебра, платины, бе­риллия, кремния и других металлов. Усы железа, серебра, платины, бериллия, кремния и других металлов можно получить электролитическим осаждением.

Существует несколько методов выращивания усов в твердой фазе. Например, установлено, что на поверхности листов многих металлов (железа, меди, серебра, платины, магния, вольфрама, латуни и др.) при нагреве обра­зуются волокнистые кристаллы диаметром около 2-10 мкм и длиной до не­скольких миллиметров. Наиболее интересен метод ускоренного выращива­ния усов под давлением (метод Фишера). Стальную пластинку толщиной 0,3 см покрывают электролитически слоем олова толщиной 5 мкм и зажимают между двумя жесткими стальными пластинками; края полученного образца шлифуют и полируют. Под действием давления, приложенного к стальным пластинкам, на полированных краях слоя олова происходит ускоренный рост усов, достигающих длины 5 мм при 215 °С. После удаления усов с поверхно­сти их рост начинается снова на прежних местах, что указывает на наличие фиксированных источников (центров) роста усов. Диаметр получаемых усов равен 0,05-5 мкм.

Тонкие металлические волокна можно также получать химическим травлением проволоки до нужного сечения. Например, травлением медной проволоки в азотной кислоте получают волокна диаметром < 1 мкм. Для по­лучения тонких вольфрамовых волокон успешно применяют метод электро­литического травления 15-20 %-м раствором NaOH в поле переменного электрического тока.

Методы определения размеров частиц и гранулометрического состава порошка

Металлический порошок представляет собой совокупность частиц размером от долей микрометра до миллиметра. Практически никогда не встречаются металлические порошки с частицами одного размера.

Совокупность выраженных в процентах количественных содержаний фракций порошка (диапазон размеров частиц между их верхним и нижним значениями) называют гранулометрическим составом порошка; его выра­жают обычно либо в виде таблиц, либо графически в виде кривой зернисто­сти.

Гранулометрический состав порошка («грансостав») определяют си­товым, микроскопическим, седиментационным, кондуктометрическим и дру­гими методами анализа (рис. 18).

Рис. 18. Диапазоны определения дисперсного состава порошков

различными методами

Ситовый анализ. Анализ грансостава порошка проводят сухим про­сеиванием в соответствии с межгосударственным стандартом ГОСТ 18318­94. Навеску порошка ((100±1) г при насыпной плотности порошка > 1,5 г/см или (50±0,5) г в других случаях) просеивают через набор стандартных тканых сеток (сит) с квадратными отверстиями различной величины в соответствии с квалификацией контрольные «К» по ГОСТ 6613-86; номер сетки определяет размер ее отверстия в свету.

Сита должны быть круглыми с диаметром обечайки 200 мм и глуби­ной от 25 до 50 мм.

Для рассева порошков используют специальное устройство, работающее по принципу вращательного движения со скоростью вращения (300±15) мин-1 при одновременном встряхивании с равномерной частотой (180±10) в мину­ту.

Просеивание продолжают до окончания рассева или в течение време­ни, указанного в нормативной документации на конкретный порошок. Время окончания рассева достигается в момент, когда количество порошка, прохо­дящее в течение одной минуты через сито, задерживающее наибольшую его массу, изменяется менее чем на 0,1 % массы пробы для испытания.

Допускается просеивание порошка вручную (его приемы должны быть указаны в нормативной документации на конкретный порошок).

В США применяют свою шкалу сеток. За основу принято сито с разме­ром отверстий в свету 0,074 мм. Есть основной ряд сит с модулем = 1,414 и дополнительный ряд с модулем = 1,189. Размер отверстия следующего за основным более крупного сита составляет 0,074 = 0,104 мм, затем 0,104

= 0,147 мм и т. д.

В этой системе номер сита указывают в мешах (число меш означает количество отверстий на одном линейном дюйме, равном 25,4 мм). Диаметр проволоки каждого сита равен размеру отверстия d, который определяют по формуле

а =25,4/2m,        (13)

где т - число меш.

Например, для сита 200 меш размер отверстия составляет

а = 25,4/(2-200) = 0,0635 мм = 63,5 мкм.

Долю порошка, оставшуюся на сите при просеве, называют плюсовой фракцией, а прошедшую через сито - минусовой фракцией.

Кроме того, часто термином «субситовая фракция» обозначают долю порошка, прошедшего через сетку с наименьшим размером отверстий в дан­ном наборе сит.

Сухие и чистые сита устанавливают одно над другим в такой последо­вательности, чтобы наверху была сетка с самыми крупными отверстиями, а внизу - с самыми маленькими; набор сит снизу заканчивается обечайкой со сплошным дном-поддоном.

После рассева каждую фракцию порошка, находящуюся на сетке с от­верстиями определенного размера, высыпают из сит, начиная с сита с наи­большими отверстиями. Содержимое на сите осторожно стряхивают на одну сторону и пересыпают на глянцевую бумагу. Порошок, приставший к сетке или рамке сита, осторожно протирают мягкой кистью через сетку в следую­щее сито с меньшими отверстиями. Фракцию, высыпанную на глянцевую бумагу, взвешивают с погрешностью < 0,05 г.

Сумма масс всех фракций должна составлять > 98 % от массы анали­зируемой пробы. Относительное содержание каждой из фракций X, %, вы­числяют с точностью до 0, 1 % по формуле

                                                                       (14)

где Gn - масса данной фракции порошка, г, G - масса испытываемой пробы, г.

Фракцию, количество которой составляет < 0,1 %, обозначают как «следы». Для каждого конкретного порошка количество проб для испытаний должно быть указано в нормативной документации. За величину, характери­зующую количество фракции, принимают среднее арифметическое результа­тов параллельных определений.

Результаты ситового анализа записывают по определенной форме. Например, фракция порошка, прошедшая через сетку с отверстиями 0,125 мм, но оставшаяся на сетке с отверстиями 0,1 мм, обозначается как - 0125...+01 или -125..+100 мкм (запись по ГОСТ 18318-94 имеет вид <125... >100 мкм), рядом указывают ее процентное содержание.

Для каждой фракции может быть указан средний размер ее частиц dср, определяемый как среднее арифметическое размеров отверстий плюсового и минусового сит.

Зная средний арифметический размер частиц в каждой фракции d1 и ее массу т, можно рассчитать средний размер частиц порошка dn ср.

Благодаря простоте и быстроте выполнения ситовый анализ является основным методом контроля зернистости в порошковой металлургии. Его существенный недостаток заключается в том, что минимальный размер от­верстий в сетках составляет 40 мкм (отметим, что в нашей стране есть огра­ниченное производство сеток с отверстиями 25-30 мкм, а за рубежом выпус­кают сетки с размером отверстий от 5 мкм), т. е. очень мелкие порошки не поддаются ситовому анализу.

Кроме того, форма частиц может внести искажение в результаты си­тового анализа. Например, дискообразные (чешуйчатые) частицы в каком-то количестве задерживаются на сетке с размером отверстий больше их попе­речника, а вытянутые иглообразные или дендритные частицы проходят через сито с отверстиями меньше их длины. Поэтому ГОСТ 18318-94 не распро­страняется на порошки с частицами такой формы, а также порошки с плас­тификаторами или с размером частиц < 45 мкм.

При работе с ситами, размер отверстий которых < 40 мкм (особенно 5-25 мкм), целесообразно использовать гидравлический метод разделения частиц: навеску порошка в сите помещают под струю воды (или другой сма­чивающей порошок жидкости) и промывку осуществляют до полного про­светления промывающей жидкости.

Возможны и другие приемы воздействия на навеску порошка в наборе сит, например, применение воздушных потоков при ситовом анализе взамен механического воздействия, а также вакуума, ультразвуковых и звуковых ко­лебаний, использование электрического поля и т. д.