5 ‑ Ввод порошка и добавок; 6 ‑ выход смеси

Смешивание с термопластическими добавками следует проводить при некоторой оптимальной температуре, обеспечивающей требуемую вязкость добавки. Излишне высокая температура снижает вязкость, что приводит к отделению добавки от порошка. Контроль и поддержание температуры на заданном уровне должны быть достаточно точными для того, чтобы процесс смешивания был стабильным. На выходе из смесителя обычно получают гранулы (таблетки), пригодные для последующего формования. Особо высокие требования к гомогенности смесей при инжекционном формовании. Например, смесь для производства деталей из нержавеющей стали должна обладать следующими свойствами: содержание порошка – 67 % (объем.); плотность смеси – 5,6 г/см³; вязкость при 130^оС – 87 Па∙с; прочность при комнатной температуре – 20 МПа.

Пример определения теоретической плотности порошковой смеси

При определении теоретической плотность смеси двух порошков или порошка со связующей добавкой иногда допускаются ошибки. Возьмем два материала А и В с массой М_А и М_В, соответственно. Теоретическая плотность этих материалов ρ_А и ρ_В. Объем каждого материала равен частному от деления массы на плотность: V_A = М_А/ ρ_А и V_B = М_В/ρ_В. Плотность смеси можно получить делением общей массы на общий объем. Общая масса М_Т = М_А + М_В и общий объем V_Т = V_A + V_B. Тогда ρ_Т = М_Т / V_Т.

Рассмотрим конкретный пример. Пусть наша смесь состоит из железного порошка Fe – 99 % и стеарата цинка – 1 % (% по массе). Плотность железа ρ_А = 7,86 г/см³ и стеарата ρ_В = 1,09 г/см³. Примем М_А = 99 г, М_В = 1 г. Тогда V_A = М_А/ ρ_А = 99/7,86 = 12,595 см³ и V_B = М_В/ ρ_В = 1/1,09 = 0,917 см³. М_Т = 99 + 1 = 100 г; V_Т = 12,595 + 1,09 = 13,512 г. Теоретическая плотность смеси ρ_Т = 100/13,512 = 7,40 г/см³. Обычно расчет упрощают (0,99 ∙ 7,86 + 0,01 ∙ 1,09 = 7,79 г/см³) и этим допускают существенную ошибку, поскольку правильный результат ‑ 7.40 г/см³.

Оценка гомогенности смеси

Гомогенность смеси оценивается по флуктуациям состава от точки к точке. Определение состава производится измерениями плотности, теплоемкости, электропроводности, вязкости, а иногда даже по изменению цвета (цветная дефектоскопия). Качество смеси определяют и сравнением с аттестованными образцами. На рис.3.8 показаны три уровня гомогенности: начальный с полномасштабной сегрегацией; промежуточный с агломерированной смесью и идеальный после диспергирования агломератов.

Рис. 3.8. Уровни гомогенности порошковой смеси: а – сегрегация по слоям; б – сегрегация с агломератами; в ‑ гомогенная смесь

Коэффициент гомогенности смеси М определяют по формуле:

М = S_o² - S² / S_o² – S₁², (3.5)

где S_o² – среднеквадратичное отклонение по концентрации для начальной структуры смеси до смешивания; S² – отклонение по концентрации у аттестованных образцов; S₁² – отклонение по концентрации у исследуемого образца после смешивания. Коэффициент М изменяется от 0 до 1, причем единица соответствует идеальной структуре. При нескольких параллельных образцах в выборке, среднеквадратичные отклонения определяют по стандартным статистическим правилам. Точность определения пропорциональна корню квадратному из числа образцов. Первоначальная смесь (до смешивания) рассматривается как полностью сегрегированная система, в которой исходное отклонение концентрации определяется по формуле:

S_o² = Х_Р (1 - Х_Р) (3.6)

где Х_Р – относительная концентрация порошка в смеси. Финальное отклонение по концентрации после полного смешивания должно стремиться к нулю. (S₁² = 0). Соответственно М = 1 - S² / S_o².

При смешивании сначала, под действием усилий сдвига, разрушаются крупные кластеры частиц и гомогенность смеси быстро возрастает. По мере продолжения смешивания жидкая добавка становится дисперснее, а кластеры мельче. Эмпирический коэффициент гомогенности М связан со временем перемешивания t cледующим соотношением

М = М_о + ехр (К t + С), (3.7)

где М_о – начальная гомогенность смеси; К, С – константы.

Сегрегация, протекающая в процессе смешивания, приводит к устойчивой определенной степени гомогенности, которая ниже идеальной. Максимальная гомогенность достигается при равенстве скоростей смешивания и сегрегации.

Грануляция

Мелкие твердые частицы, например керамика (Аl₂O₃ и др.), интерметаллиды (NiAl и др.), тугоплавкие металлы и соединения (Мо, WC, TiB₂ и др.) не обладают достаточной текучестью и имеют низкую насыпную плотность. Это создает большие затруднения при прессовании таких порошков. Для решения этой проблемы мелкие частицы агломерируют. Порошок смешивают с органикой и после испарения летучей компоненты получают тестообразную смесь.

Как показано на рис. 3.9 тестообразная масса (шликер) распыляется с нагревом в камере, где под действием сил поверхностного натяжения распыленные капли формируются в сферические агломераты (рис. 3.10). После сушки типичные агломерированные частицы имеют размер около 200 мкм.

Рис. 3.9. Схема распылительной системы для

грануляции дисперсных порошков:

1 – шликер; 2 – насос; 3 – распылитель;

4 – влажный скруббер;

5 – выхлоп; 6 – циклоны; 7 – разгрузка

Рис. 3.10. Агломерированные частицы твердого сплава (WC+Co)