книги из ГПНТБ / Эскин, Г. И. Ультразвук шагнул в металлургию

ультразвука частички алюминия с частицей после обычного распыления через форсунку позволяет оце­ нить преимущества ультразвукового распыления.

Вместо пористых частиц ЮОмкм разнообразных размеров и i * V неправильной формы, полу­ чаемых распылением через

ё4 форсунку, ультразвуковое

распыление дает возмож­ ность получать дисперсные гранулированные частицы высокой плотности с измель­ ченной микроструктурой. Монодисперсность ультра­ звукового распыления тако­

ва, что разброс размеров частиц не превышает 10%.

Ультразвуковая обработка позволяет получать дис­ персные порошки путем измельчения их в жидкой сре­ де. Механизм воздействия ультразвука состоит из двух этапов. Вначале происходит проникновение жид­ кости в мельчайшие поры и трещины на поверхности диспергируемого твердого тела, а затем частицы рас­ калываются за счет ударных волн, которые возникают при захлопывании кавитационных пузырьков в порах н трещинах.

Диспергирование при помощи ультразвука с цельк» получения различных тонких суспензий находит широ­ кое применение в химической промышленности. Такие диспергаторы построены на принципе гидродинамиче­ ского возбуждения ультразвука [9] и позволяют полу­ чать сверхтонкие суспензии, из которых извлекают за­ тем порошки размером до 1 мкм.

Недавно этот принцип получения сверхтонких по­

113

рошков начали использовать и в металлургии. Приме­ нение ультразвукового диспергирования в промышлен­ ном масштабе в металлургии стало возможным тогда, когда удалось разработать новое эффективное ультра­ звуковое оборудование, в котором обработка ультра­ звуком осуществляется в поле повышенного внешнего давления.

На рис. 45 приведена схема установки для диспер­ гирования [26]. Дном камеры 5 служит торец полу­ волнового стержня, служащий излучателем ультразву­ ка, соединенный с типовым магнитострикционным преоб­ разователем ПМС-15А мощностью 2,5 кет. Камера герме­ тизирована крышкой, позволяющей проводить обра­ ботку ультразвуком при внешнем давлении на жид­ кость, и охлаждается водой для отвода тепла, выде­ ляющегося при ультразвуковом воздействии. Дисперги­ руемый материал в виде суспензии в воде помещается в камеру из расчета 3,0% всего объема и обрабатывается ультразвуком при внешнем давлении в 5—6 ат.

Эффект измельчения достигается за счет сочетания интенсивного кавитационного разрушения твердых частиц в воде н трения частиц друг о друга.

На рис. 46 приведена, ио данным Л. К. Захаренко [271, зависимость объемного содержания фракций раз­ ных размеров в порошке окиси алюминия до и после ультразвуковой обработки в течение 15 мин. па диспер­ гаторе при амплитуде колебаний излучателя 7 мкм и внешнем давлении 5 ат. Из сравнения этих кривых видно, что ультразвуковое воздействие эффективно из­ мельчает порошковые частички окиси алюминия. Так­ же успешно могут быть получены дисперсные порош­ ки хрома, бора, окиси магния, двуокиси циркония и др.

Исследования этого процесса диспергирования мс-

ПЗ

б а л л о н с о с ж а т ы м г а з о м

П4

годом ускоренной киносъемки, проведенные Л. Б. Гутновой, Б. А. Агранатом и В. И. Башкировым [5], и теоретические расчеты показали, что главенствующую роль при диспергировании с наложением внешнего давления играет кавитация. После заполнения пор н трещин твердого тела жидкостью (заполнение уско­ ряется внешним давлением) между частицами порош­ ка и жидкостью устанавливается полный акустический

Размер частиц,мкм

контакт. Тогда в объеме жидкости, включая и поры твердых частиц, возникает звуковая кавитация. Как по­ казали расчеты на ЭВМ, выполненные Б. А. Агранатом, Ф. А. Брониным, В. И. Башкировым и Ю. И. Китайго­ родским [5], с увеличением давления меняется дли­ тельность -роста кавитационного пузыря до критичес­

115

кого радиуса, после которого он захлопывается. При атмосферном давлении захлопывание пузырька проис­ ходит в начале полупериода разрежения, что приводит к ослаблению интенсивности ударной волны. Под дей­ ствием статического давления рост пузырька ускоряет­ ся и он захлопывается в положительный полупериод (фаза сжатия) звуковой волны, благодаря чему давле­ ние в ударной волне и интенсивность кавитационной эрозии резко увеличивается.

На рис. 47 показана зависимость эрозии образцов алюминиевого сплава АК.6 от амплитуды колебаний излучателя и статического давления (эксперименты проводились на установке, показанной на рис. 45). Ин­ тересно, что все приведенные кривые эрозии имеют в зависимости от давления максимум, т. е. при каждом значении амплитуды колебаний есть определенный предел прикладываемого внешнего давления. Причина существования максимума состоит в том, что при очень большом давлении кавитационные пузырьки пе­ рестают захлопываться и перерождаются в колеблю­ щиеся газовые пузырьки.

Возникающие при захлопывании кавитационных пузырьков ударные волны большой силы раскалывают частицы по порам и трещинам. Одновременно проис­ ходит процесс скалывания острых граней частичек за счет взаимного трения частиц друг о друга. Микронеров­ ности частиц в результате такой обработки сглажива­ ются и частицы принимают округлую форму, более стой­ кую против воздействия кавитации. На этом этапе ско­ рость процесса диспергирования резко снижается.

Получение дисперсных порошков методом ультра­ звукового диспергирования под статическим давлени­ ем выгодно не только благодаря резкому повышению

116

60 ч, а ультразвуковое воздействие позволяет осущест­ вить требуемое измельчение за 2 ч), но и из-за других преимуществ. Ультразвук диспергирует практически любые материалы независимо от их прочности. При ультразвуковом диспергировании легко соблюдается ги­

ний позволяет увеличить вводимую в обрабатываемый порошок колебательную энергию и обеспечить некото­ рую пластическую деформацию поверхности прессуе­ мых частиц.

Известные схемы ультразвукового прессования по­ казаны на рис. 48, a—е. Размеры и форма колебаний в этих схемах различны: так, в схемах рис. 48, а, г и <3 верхний и нижний пуансоны имеют волновые размеры п%!2, что позволяет после окончания прессования иметь полностью настроенную систему. Схема рис. 48,в ис­ пользует изгибные ультразвуковые колебания и т. д.

Очевидно в основе интенсификации механизма про-

117

Цесса прессования в поле упругих колебаний лежит ус­ транение или значительное снижение сил трения меж­ ду прессуемыми частицами или между частицами и прессформой. Известным обоснованием этого предпо­ ложения служит наблюдаемое пластическое деформи-

Рис. 48. Различные способы возбуждения ультразву­ ка в процессе прессования 122]

рование прессуемых частиц, происходящее при воздействии ультразвука. Без приложения упругих колеба­ ний 'пластическая деформация прессуемых частиц про­ исходит лишь при весьма высоких значениях прикла­ дываемого статического давления. О снижении трения при воздействии ультразвука свидетельствуют наблю­

118

давшийся большинством исследователей факт умень­ шения величины давления прессования и однородное распределение плотности в сечении сложных металлокерамических деталей.

По данным исследований И. П. Шаталовой, Н. С. Горбунова и В. И. Лихтмана [28], при применении вибрационного прессования плотность укладки мало за­ висит от исходной плотности и природы частиц по­ рошка.

По мнению Е. Д. Мезинцева [29], уже кратковре­ менное прессование (10 сек) в ультразвуковом поле позволяет повысить плотность и снизить брак изделий на 20—30%, что может найти широкое применение на прессах-автоматах. Результаты прессования в ульт­ развуковом поле цилиндрических штабиков из карбо­ нильного железа приведены в табл. 9.

Таблица 9

Изменение плотности штабиков из карбонильного железа при прессовании* под действием ультразвука** ?29]

* У с и л и е п р е с с о в а н и я 1 Т.

** Ч а с т о т а у л ь т р а з в у к а 20 кгц.

Некоторую разновидность прессования с примене­ нием ультразвука представляет процесс экструзии. На рис. 49 показана установка Е. Лефельда [24] для экс­ трузии электродов из смеси железного порошка с жид-

119