Процессы получения металлических порошков. Лабораторный практикум

Для определения формы частиц порошка используют оптическую или растровую (сканирующую) электроннуюмикроскопию.

Гранулометрический состав порошка – это совокупность количественных содержаний фракций, выраженных в процентах.

В настоящее время принято следующее деление порошков в зависимости от размера частиц:

-< 0,1 мкм – нанодисперсные порошки;

-0,1–1 мкм – ультрадисперсные (субмикронные) порошки;

-1–10 мкм – высокодисперсные (особо мелкие) порошки;

-10–40 мкм – мелкие порошки;

-40–250 мкм – средние порошки;

-250–1000 мкм – крупные порошки.

Гранулометрический состав определяют ситовым, микроскопическим, седиментационным, кондуктометрическим методами, а также методами, основанными на рассеивании частицами порошка лазерного и рентгеновского излучения.

Метод ситового анализа заключается в просеве навески порошка

(100 ± 1) г (при γнас > 1,5 г/см3) или (50 ± 0,5) г (при γнас < 1,5 г/см3) через набор стандартных тканых сеток с квадратными отверстиями.

Номер сетки определяет размер отверстия в свету (например, 0040 соответствует 0,040 мм). В отечественных ситовых полотнах, сгруппированных в несколько рядов, размеры в первом ряду

меняются от минимального 40 мкм до 71 мкм (40 45 50 56 63 71) с коэффициентом примерно 1,12–1,125. Второй ряд полотен формируется умножением размеров первого ряда на коэффициент 2. Третий и остальные ряды – аналогично. В нашей стране сетки ткут из проволоки, диаметр которой жестко не связан с размером ячейки, поэтому живое сечение полотен (отношение суммарной площади всех ячеек Sяч к габаритной площади сита Sс) не постоянное (таблица 7.1).

Сита должны иметь диаметр 200 мм и глубину 25–50 мм. Для приведения их в движение используют устройство, обеспечивающее вращательное движение с частотой (300 ± 15) мин–1, сочетающееся с ударным воздействием ((180 ± 10) ударов в минуту). Допускается использование и других устройств, обеспечивающих идентичные результаты (с обязательным отделением частиц от поверхности сит в ходе работы).

41

Таблица 7.1 – Характеристики тканых полотен, используемых в ситовом анализе

Просев ведут либо до времени, указанного в документации на порошок, либо до момента времени, определяемого следующим образом: если количество порошка, проходящее за мину через сито, задерживающее наибольшую массу порошка, изменится меньше, чем на 0,1 %, то просев можно заканчивать. Однако в производственных условиях используют фиксированное время, указанное в документации.

Суммарная масса всех фракций после рассева должна составлять более 98 % от исходной массы. Если массовая доля какойлибо фракции < 0,1 %, то она обозначается термином «следы». Способ обозначения фракции можно проиллюстрировать на следующем примере: порошок, прошедший через сетку с размером ячеек 100 мкм и задержавшийся на сетке с ячейками 40 мкм,

обозначается как –01…+ 004; –100… + 40 мкм или < 100… 40 мкм.

В ходе анализа на верхнем сите не должно оставаться порошка, так как тогда формально невозможно указать верхний предел размера соответствующих частиц.

Микроскопический анализ гранулометрического состава порошка рекомендуется применять для частиц полиэдрической или сферической формы. Такое ограничение связано с тем, что за размер

42

частицы принимают ее максимальную хорду в вертикальном или горизонтальном направлении, и для удлиненных порошинок, например игольчатой формы, подобная оценка затруднена. По ГОСТ 23402–78 этим методом предусматривается измерение частиц размером от 1 до 100 мкм, однако его особенности, в первую очередь повышенная точность по сравнению с ситовым методом, позволяют эффективно использовать его для оценки частиц до 1 мм, даже при использовании нескольких увеличений для проб с широким грансоставом.

Увеличение микроскопа выбирают так, чтобы габарит самой маленькой частицы был больше минимального деления шкалы. Для измерения частиц около 1 мкм требуется увеличение 1400 крат. Предусмотрено два способа выполнения анализа: измерение порошинок при наблюдении отдельных полей и при непрерывном движении порошинок в поле зрения микроскопа. В первом случае учитываются частицы, попадающие внутрь поля зрения и на половину периметра поля (хотя точно определить размеры частиц на периметре не всегда удается), во втором – все частицы, пересекшие при своем движении измерительную шкалу. Количество измеренных частиц должно быть больше, чем 625, тогда ошибка анализа не превышает 2 %.

Представление результатов может быть различным, практически независимым от метода анализа:

-гистограммы, показывающие количественную (массовую) долю той или иной фракции;

-частная кривая, строящаяся по точкам средних значений размеров фракций;

-дифференциальная кривая. По оси ординат откладывается доля фракций, деленная на ширину соответствующих фракций

Q/ d. При равных d эта кривая совпадает по форме с частной кривой;

- интегральные кривые «по плюсу» и «по минусу», показывающие соответственно количество частиц, которые больше и меньше данного размера.

Насыпная плотность – масса единицы объема свободно насыпанного порошка (т.е. насыпанного без внешних силовых и вибрационных воздействий). Она зависит от природы материала (его пикнометрической плотности), формы частиц, их гранулометрического состава, состояния поверхности. Чем более разветвленная форма частиц, тем выше трение между ними, выше вероятность

43

возникновения в порошке арочного эффекта (появления в насыпке пустот, объем которых больше объема самых крупных частиц) и соответственно ниже насыпная плотность. Чем мельче частицы порошка (при прочих равных условиях), тем больше число контактов между ними в единице объема и выше трение в насыпке, что снижает насыпную плотность.

Следует иметь в виду, что при изменении размера частиц может измениться и форма или, по крайней мере, измениться параметр, характеризующий степень ее отклонения от правильной. Это довольно четко проявляется в случае распыленных порошков, когда при уменьшении диаметра частиц их форма приближается к сферической, что приводит к увеличению насыпной плотности.

Если порошок характеризуется очень широким гранулометрическим составом (с разницей между минимальным и максимальным размером на порядок и более), то возможно увеличение насыпной плотности из-за того, что мелкие частицы заполняют пустоты между крупными. Для идеальных сферических частиц максимальное соотношение размеров мелкой и крупной фракции, обеспечивающее такое распределение, 1/7, для реальных порошков – 1/10.

Насыпную плотность порошка можно отнести к его пикнометрической плотности и получить относительную насыпную плотность (выражаемую в долях единицы или в процентах), которая показывает долю объема, занимаемого твердой фазой в габаритном объеме насыпки. Эта величина может быть очень маленькой, всего 5–7 % в случае разветвленных агломератов мелких частиц, а может приближаться к теоретической относительной плотности идеальной укладки шаров (более 70 %) для крупных сферических частиц.

Насыпная плотность – чисто эмпирическая характеристика, которую нельзя рассчитать, зная гранулометрический состав порошка и его пикнометрическую плотность. Она также не подчиняется правилу аддитивности для смесей порошков.

Текучесть – способность порошка с определенной скоростью вытекать из отверстия. Она непосредственно определяет время истечения порошка из бункера пресса-автомата и влияет на качество заполнения полости пресс-формы.

Текучесть – комплексная характеристика, зависящая от тех же факторов, что и насыпная плотность (формы частиц, гранулометрического состава порошка и состояния его поверхности, пикнометрической плотности), однако характеры зависимостей,

44

например от размера частиц, не всегда соответствуют таковым для насыпной плотности. В общем случае истечение порошка через отверстие затрудняется при увеличении его удельной поверхности, уменьшении размеров частиц, отдалении формы от сферической. Окисление, как правило, облегчает перемещение порошинок друг относительно друга из-за уменьшения коэффициента межчастичного трения. Влага значительно ухудшает течение порошка.

7.3 Оборудование и методика

Гранулометрический состав порошка ситовым методом определяют с помощью сепаратора СПЭ, имеющего электромагнитный привод (частота 50 Гц, амплитуда 1–3 мм), установки «Экрос» ПЭ-6800 с механическим приводом (частота 30–70 Гц, амплитуда 0,25–1,5 мм) или аналогичного устройства и набора сит, состав которого выбирается по усмотрению преподавателя. При насыпной

плотности порошка более 1,5 г/см3 масса навески составляет (100 1)

г, в противном случае – (50 0,5) г. Время рассева – от 10 до 15 мин. Сбор фракций начинают с сит большего размера. Застрявшие в ячейках частицы выделяют, протирая ситовые полотна с обратной стороны мягкой щеткой. Полученные фракции порошка взвешивают на электронных лабораторных весах с точностью 0,01 г.

Определение формы частиц порошка и его гранулометрического анализа микроскопическим методом проводят с использованием оптического микроскопа, обеспечивающего увеличение не менее 1000 крат и возможность наблюдения частиц в проходящем свете.

Препарат (образец) для исследования готовят следующим образом: навеску порошка массой 5–7 г перемешивают, рассыпают полоской длиной 7–8 см и разделяют на 7–8 частей. Четные части отбрасывают, нечетные перемешивают и повторно сокращают и так до получения массы 0,5–1 г. Такую пробу переносят на конце стеклянной палочки на предметное стекло, добавляют 1–2 капли диспергирующей жидкости (вода с различными добавками; глицерин, парафиновое или кедровое масло), распределяют равномерно всю суспензию по предметному стеклу, накрывают покровным стеклом, следя за тем, чтобы не выдавить слишком большое количество частиц.

При измерении частиц с непрерывным движением препарата они должны перемещаться перпендикулярно измерительной линейке

45

вокуляре, цену деления которой определяют с помощью эталонного объект-микрометра, входящего в состав поставки микроскопа.

Учитывая длительность микроскопического анализа грансостава,

входе лабораторной работы определяют размеры 150–200 частиц. Насыпную плотность порошка определяют с помощью воронки

(рисунок 7.1, а) с выходным отверстием диаметром 2,5 или 5 ммили так называемого волюмометра Скотта, представляющего собой систему воронок с промежуточной колонной, в которой плоские пластины

расположеныподуглом 25 квертикали (рисунок7.1, б).

а

1 – приемная воронка; 2 – прозрачная стенка колонны; 3 – место установки колонны;

4– выходная квадратная воронка;

5– задняя стенка колонны; 6 – стойка

б

Рисунок 7.1 – Устройства для определения насыпной плотности порошков: а – воронка; б – волюмометр Скотта

В ходе эксперимента мерную емкость объемом 25 см3 заполняют «с горкой» частицами, вытекающими из воронки или волюмометра. Избыток порошка удаляются однократным движением немагнитной линейки, избегая ударного или вибрационного воздействия на емкость. Количество оставшегося порошка рассчитывают по разности масс заполненной и пустой (m0) емкости, определенных на лабораторных весах с точностью 0,01 г. Опыты для каждого порошка (или фракции) дублируют не менее трех раз.

46

где m1 – масса емкости, заполненной порошком, г; m0 – масса пустой емкости, г;

V – ее внутренний объем, см3.

Текучесть выражают числом секунд, за которое 50 г порошка вытекают через калиброванное отверстие диаметром 2,54 мм в воронке с углом конусности 60о (рисунок 7.2). Время истечения (текучесть) определяют с помощью секундомера с точностью 0,2 с. Опыты для каждого порошка(илифракции) дублируютне менее пятираз.

Рисунок 7.2 – Воронка для определения текучести порошка

7.4 Порядок выполнения работы и указания по охране труда

По указанию преподавателя работу выполняют по одному из следующих вариантов:

Вариант 1. Оценка формы частиц, определение гранулометрического состава, насыпной плотности и текучести различных фракцийпромышленновыпускаемыхметаллическихпорошков.

Для трех или четырех заранее выделенных ситовым методом фракций промышленно выпускаемых порошков железа или титана (например, ПЖР-3.200.26, ПЖВ-4.200.28, ПТС, ПТМ, ПТК) определяют насыпную плотность и текучесть, по методикам, подробно описанным в п. 7.3.

После этого для одной из фракций определяют ее гранулометрический состав микроскопическим методом (см. п. 7.3).

47

В ходе проведения этого анализа также качественно оценивают генеральную форму наблюдаемых частиц.

Вариант 2. Оценка формы частиц, определение гранулометрического состава, насыпной плотности и текучести промышленно выпускаемых металлических порошков.

Для двух, трех или четырех промышленно выпускаемых порошков железа, никеля, титана, меди и др. (например, марок ПЖР- 3.200.26, ПЖВ-4.200.28, ПНЭ-1, ПНК-0Т1, ПТС, ПТМ, ПТК, ПМС-1

и др.), не разделенных предварительно на фракции, определяют насыпную плотность, текучесть и гранулометрический состав микроскопическим методом согласно методикам, подробно описанным в п. 7.3. В ходе микроскопического анализа качественно оценивают генеральную форму частиц порошков. Часть промышленных порошков могут быть заменены порошками, полученными в ходе выполнения лабораторных работ 4–6.

Вариант 3. Определение гранулометрического состава промышленно выпускаемого порошка ситовым методом с разделением его на фракции и оценка насыпной плотности и текучести полученных фракций.

Гранулометрический состав промышленно выпускаемого порошка железа или титана (например, марок ПЖР-3.200.26, ПЖВ- 4.200.28, ПТС или ПТК) определяют ситовым методом по методике, подробно описанной в п. 7.3. После этого ситовой анализатор используют для выделения из остальной части порошка фракций в количествах, достаточных для последующей оценки насыпной плотности и текучести согласно методикам, описанным в п. 7.3. При этом если масса выделенной фракции составляет менее 50 г, текучесть для нее не определяют. При выполнении работы следует соблюдать следующие меры безопасности:

1 Запрещается прикасаться к подвижным частям ситового анализатора во время его работы.

2 Запрещается проводить сбор фракций из сит за пределами вытяжного шкафа.

3 Запрещается удалять просыпанный порошок со стола потоком воздуха (сдувать). Для сбора такого порошка необходимо использовать влажную ткань (ветошь) или магнит (в случае ферромагнитных порошков).

4 При выходе оборудования в нештатный режим работы, появлении искрения, посторонних запахов, дыма и т.п. запрещается предпринимать какие-либо самостоятельные действия. В данной

48

ситуации необходимо немедленно прекратить выполнение работы и сообщить о происходящем учебному мастеру и преподавателю, ведущему занятие.

5 При определении гранулометрического состава порошка микроскопическим методом рекомендуется делать перерывы через каждые 12–15 мин работы во избежание чрезмерной усталости глаз.

7.5 Обработка результатов эксперимента

Результаты определения гранулометрического состава ситовым методом сводят в таблицу, в которой приводят обозначение фракции, ее массу и массовую долю. По величинам массовой доли и граничных размеровфракций строится соответствующая гистограмма.

Результаты определения гранулометрического состава микроскопическимметодомоформляют так, какпоказано втаблице 7.2.

Таблица 7.2 – Результаты определения гранулометрического состава порошка микроскопическим методом

Весь диапазон измеренных частиц произвольно разбивается не менее чем на 5 классов (фракций), исходя из размеров частиц, выраженных в делениях шкалы окуляр-микрометра. Минимальный и максимальный размеры фракции в микрометрах (столбец 3) получают умножением соответствующих делений шкалы на цену одного деления.

При подсчете количества частиц в классах исходят из правила, что частицы порошка, попадающие на границы, учитываются как самые крупные в соответствующих меньших классах.

49

Количественную долю класса рассчитывают как частное от деления числа частиц в нем на суммарное число измеренных частиц.

Средний размер частиц фракции определяют как среднее арифметическое для минимального и максимального размеров, выраженных в микрометрах. Третья степень среднего размера частиц может считаться условным средним объемом одной частицы класса с

точностью до некоторого коэффициента (например, /6 для сферических частиц).

Условный суммарный объем частиц фракции получают умножением третьей степени среднего размера частиц в ней (столбец 7) на их количество (столбец 4). Складывая условные суммарные объемы частиц во фракциях, определяют суммарный условный объем всех измеренных частиц. После этого рассчитывают объемную долю частиц фракции как частное от деления условного суммарного объема класса на суммарный условный объем всех измеренных частиц. Объемная доля численно равна массовой доле в предположении постоянства пикнометрической плотности частиц. Для количественной и массовой долей фракций частиц (столбцы 5 и 9) строят гистограммы соответствующих распределений.

За результаты определения насыпной плотности и текучести принимают средние арифметические значения, рассчитанные по 3 и 5 измерениям соответственно, с учетом величины среднеквадратических отклонений.

7.6 Требования к отчету о работе

Отчет о лабораторной работе должен содержать краткую теоретическую часть, условия выполнения экспериментов, результаты экспериментов и их обсуждение с указанием возможных причин, выводы по работе.

Результаты микроскопического и ситового анализов оформляются в виде таблицы с соответствующими гистограммами, а результаты определения насыпной плотности и текучести – в виде графических зависимостей соответствующих величин от среднего размера фракций (для вариантов 1 и 3). Если некоторые порошки или их фракции не текут, и соответствующий график зависимости текучести от размера частиц построить невозможно, результаты следует представить в виде таблицы. В варианте 2 результаты представляют в таблице с обязательным указанием марки порошка.

50