Порошковая металлургия и композиционные материалы (стр. 8 )

Процесс механического легирования во времени можно условно раз­делить на пять стадий. На первой стадии(< 12 мин) происходит расплющи­вание и размол отдельных частиц. Вторая стадия (12-30 мин) представляет собой чередование разрушения и перестройки структуры частиц за счет хо­лодного сваривания разнородных частиц с образованием «склепанных» час­тиц с характерной слоистой структурой. На третьей стадии (30-60 мин) эти «склепанные» частицы разрушаются и исчезают частицы исходных порошков, превращаясь в композиционные частицы со слоистой структурой. В течение четвертой стадии (60-100 мин) нарушается параллельность в расположении слоев в структуре композиционных частиц, а на пятой стадии (> 100 мин) по­вышается внутренняя однородность (гомогенность) частиц, причем слои раз­нородных компонентов истончаются, а их число растет. Механическое леги­рование перспективно для получения порошков дисперсно-упрочненных ма­териалов или таких композиций, компоненты которых обладают малой вза­имной растворимостью либо резко различаются температурами плавления.

Одной из разновидностей шаровых мельниц являются так называемые аттриторные устройства (рис.8).

Размольные тела загружают в вертикальный (или горизонтальный) неподвижный барабан, внутри которого со скоростью более 100 об/мин вра­щается вертикальная лопастная мешалка.

Гребки, наклонно укрепленные на лопастях мешалки, обеспечивают циркуляцию размольных тел и истирание измельчаемого материала. Аттри - торные мельницы конструктивно просты, удобны в эксплуатации и позволя­ют вести процесс измельчения непрерывно. В результате размола получают порошок с более равномерным распределением частиц по размерам.

Необходимая дисперсность достигается в несколько раз быстрее, чем в обычных шаровых вращающихся мельницах. Аттриторы весьма эффектив­ны при приготовлении смеси высокодисперсных порошков разнородных компонентов, а также могут применяться для получения механолегированных порошков. В отдельных случаях аттриторы используются при получении материалов методом высокотемпературного самораспространяющегося син­теза.

Рис. 8. Схема аттритора: 1 - корпус мельни­цы (размольная емкость); 2 - водоохлаждаемые стенки корпуса мельницы; 3 - вал мешалки аттритора; 4 - измельчаемый материал; 5 - размольные тела; 6 - лопасти мешалки

Увеличение скорости вращения вала до нескольких сотен оборотов в минуту приводит к проявлению эффекта механолегирования. Отношение массы шаров к массе порошка лежит в пределах от 12 : 1 до 40 : 1. Диаметр размольных тел (чаще всего из хромистоуглеродной стали) - от 4 до 10 мм. Продолжительность процесса - до нескольких десятков часов.

Размол материалов в вибрационных мельницах

В практике порошковой металлургии широко используют вибрацион­ные мельницы, обеспечивающие быстрое и тонкое измельчение обрабаты­ваемых материалов, например карбидов и других тугоплавких соединений различных металлов, при производстве твердых сплавов и др. При производ­стве порошков используют вибромельницы различных типов и конструкций, различающиеся главным образом по технологическим и конструктивным признакам. В соответствии с технологическими признаками их подразделяют по типу размола (сухое измельчение или мокрое) и характеру работы (перио­дического действия или непрерывного). К конструктивным признакам отно­сят тип возбудителя колебаний (эксцентриковые или дебалансные), форму корпуса мельницы (цилиндрический, прямоугольный), тип ее опоры и т. д.

Наиболее распространены вибрационные дебалансные мельницы, (рис.9), дебалансный вал которых приводится во вращение от электро­двигателя через эластичную муфту.

Рис. 9. Схема вибрационной мельницы: 1 - электродвигатель; 2 - соединительная муфта; 3 - корпус мельницы; 4 - загрузоч­ный люк; 5 - размольные тела; 6 - деба - лансный вал; 7 - амортизаторы (пружины)

Вращение дебалансного вала вызывает колебания корпуса мельницы, загруженной размольными телами и измельчаемым материалом. Частота вращения вала составляет от 1 000 до 3 000 об/мин, амплитуда колебаний корпуса мельницы - 2-4 мм.

Размольные тела, получая частые импульсы от стенок корпуса мель­ницы, совершают сложные движения. Они подскакивают, соударяются и скользят по стенкам корпуса мельницы. В результате трения о стенки мель­ницы они начинают вращаться. На частицы измельчаемого материала дейст­вуют ударные, сжимающие и срезывающие усилия переменной величины. Ударный импульс единичного размольного тела в вибромельнице по сравне­нию с ударным импульсом в шаровой вращающейся мельнице относительно невелик.

Однако большое число размольных тел в единице объема корпуса мельницы и высокая частота их колебаний обеспечивают интенсивное из­мельчение обрабатываемого материала. Суммарное число импульсов i, со­общаемых размольным телам в единицу времени, можно оценить по формуле

       (3)

где V - объем корпуса мельницы, дм3; k - число размольных тел, размещаю­щихся в 1 дм3 объема корпуса мельницы; φ - коэффициент заполнения кор­пуса мельницы размольными телами (обычно составляет 0,75-0,85);  n - час­тота вращения вала, об/мин (обычно 1 000-3 000 об/мин); z - число импуль­сов, сообщаемых каждому из размольных тел корпусом мельницы за одно его круговое качание; В - коэффициент, учитывающий дополнительное чис­ло импульсов, сообщаемых за один оборот вала каждому размольному телу соседними размольными телами.

Если условно принять k = 1 250 шт./дм3 (при среднем диаметре ша­ров 10 мм), φ = 0,8, n= 1 500 об/мин, z = 1 (за один оборот вала каждому из размольных тел сообщается только один импульс), B= 1 (т. е. не учитывать увеличение частоты воздействия за счет импульсов, дополнительно сооб­щаемых каждому шару соседними с ним шарами), то число импульсов, со­общаемых размольным телам в корпусе мельницы объемом 200 дм3, составит i = 3 108 импульсов в минуту.

Это на несколько порядков выше числа импульсов, сообщаемых раз­мольным телам при измельчении материала в шаровой барабанной мельнице. Благодаря высокой частоте воздействий релаксация материала (самозажив­ление трещин под действием сил межатомарного сцепления) в вибрационных мельницах проявляется в меньшей степени, а процесс измельчения протекает значительно быстрее. Время измельчения материала до высокодисперсного состояния (в большинстве случаев) не превышает нескольких часов (5-6 ч). Исследования порошка, полученного в вибрационной мельнице, показывают наличие большого числа частиц округлой формы, что свидетельствует о су­щественной роли истирающих воздействий на измельчаемый материал как со стороны размольных тел, так и со стороны частиц самого материала (явление самоистирания).

Основные показатели режима виброразмола (коэффициент заполне­ния рабочего объема корпуса мельницы размольными телами и измельчае­мым материалом, соотношение между ними, продолжительность процесса и др.) обычно устанавливают экспериментально с учетом свойств измельчае­мого материала и требуемой дисперсности получаемого порошка.

Размол материалов в планетарных центробежных и гироскопических мельницах

Планетарные центробежные (ПЦМ) и гироскопические мельницы ис­пользуются для получения сравнительно небольших объемов нано - и ультра­дисперсных порошков. В планетарных центробежных мельницах тонкое из­мельчение трудноразмалываемых материалов производится во много раз бы­стрее, чем в мельницах других типов. Время измельчения материалов в ПЦМ чаще всего не превышает нескольких десятков минут (10-30 мин).

Наиболее распространенный вариант ПЦМ состоит из корпуса-шкива, на котором установлены обоймы для крепления барабанов мельницы (рис.10). Электродвигатель приводит во вращение корпус оси промежу­точных зубчатых колес и обоймы.

Закрепленные в обоймах барабаны вращаются вместе с корпусом - шкивом и одновременно вокруг своей оси в направлении, противоположном направлению вращения корпуса. В процессе вращения корпуса-шкива бара­баны получают ускорение до 35g.

Рис. 10. Схема планетарной центробежной мельницы: 1 - редуктор; 2 - опорный стол; 3 - корпус-шкив с механизмом привода барабанов; 4 - барабан с размольными телами, обоймы для установки барабанов; 5 - электродвига­тель

Во время вращения барабана размольные тела в нем располагаются в виде сегмента, форма и положение которого не изменяются во времени, мас­сив шаров движется вместе с барабаном, а каждый шар (единичное размоль­ное тело) движется по окружности, центром которой является ось барабана.

По достижении «зоны отрыва» размольные тела начинают перекаты­ваться в сегменте и вращаться вокруг собственных центров тяжести, что обеспечивает измельчение обрабатываемого материала за счет его истирания.

На эффективность помола в ПЦМ оказывают влияние геометрические параметры агрегатов мельницы (расстояние от оси корпуса-шкива до оси ба­рабана, диаметр барабана), угловая скорость корпуса-шкива, скорость вра­щения барабана. Для эффективной работы ПЦМ («отрыва» размольных тел) экспериментально подбирается оптимальное соотношение скоростей враще­ния корпуса-шкива и барабанов (передаточное отношение).

Наиболее существенный недостаток размола в ПЦМ и гироскопиче­ских мельницах - значительное загрязнение измельчаемого порошка примесью, образующейся результате истирания стенок барабанов и размольных тел.

Для того чтобы увеличить срок службы барабанов мельницы и уменьшить загрязнение измельчаемого порошка, рабочую поверхность бара­банов покрывают керамической клепкой. Размольные тела, применяемые для работы мельницы также изготавливают из керамики на основе диоксида цир­кония, стабилизированного оксидом иттрия.

Для тонкого измельчения материалов наряду с ПЦМ используют и так называемые гироскопические мельницы. Барабан этих мельниц одновременно вращается относительно горизонтальной и вертикальной осей. Размольные тела внутри барабана совершают сложные движения, аналогичные движению раз­ мольных тел в ПЦМ. Оптимальное соотношение скоростей вращения барабана относительно вертикальной и горизонтальной осей составляет от 1 : 1 до 1 : 5.