Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория и технология процессов прессования ЭНМ. Учебное пособие
.pdf
Прессуемость порошков − это важная технологическая
Р
характеристика ПМ, обусловленная двумя свойствами: уплотняемостью
и формуемостью [2; 3; 5].
Уплотняемость порошков – способность порошкового тела
изменять свою плотность под действием давления прессования,
определяемая функцией плотности от давления: ρ = ƒ(Р). Хорошая
уплотняемость облегчает и удешевляет процесс прессования, так как для
получения одной и той же плотности потребуется меньшее давление.
Вместе с этим хорошо формующиеся порошки позволяют получать
прочные, неосыпающиеся прессованные изделия. Уплотняемость в
основном зависит от пластичности частиц порошка и в меньшей степени
- от величины и формы частиц. Для оценки уплотняемости используются
диаграммы прессования, по ним определяют уровни давления, при
которых получают изделия заданной плотности.
Формуемость – это способность порошкового тела сохранять
заданную форму и размеры после прессования в интервале
определенных значений плотности или пористости, при которых
прессованное изделие не имеет разрушений после извлечения его из
матрицы. Формуемость качественно оценивается по внешнему виду
изделия, наличию или отсутствию в нем трещин, состоянию поверхности
(блестящая, матовая, гладкая, шероховатая) и состоянию кромок изделия
(осыпающиеся или острые). Из хорошо формуемых порошков даже при
небольших давлениях прессования получаются прочные неосыпающиеся
изделия.
Количественной характеристикой формуемости порошка может
служить либо прочность изделия при испытании на сжатие, либо
показатель формуемости Ф, представляющий собой отношение
прочности прессовки при сжатии к давлению прессования
Ф =
, (7)
где σ – прочность на сжатие; Р − давление прессования.
Из практики формования изделий методом прессования известно,
что хорошо прессуются пластичные вещества. Из штатных ЭНМ (ВВ)
наиболее пластичным является тетрил. Неплохой прессуемостью
обладает технический «чешуированный» тротил. Это объясняется,
прежде всего, присутствием в его составе изомеров, которые образуют с
11
α – ТНТ легкоплавкие эвтектики с температурой плавления ~ 45 0С, так
называемое «тротиловое масло». Этому способствует также
специфическая форма частиц тротила, в виде чешуек, которые при
засыпке в матрицу и последующем прессовании стремятся
расположиться по плоскости базиса.
Менее пластичными являются ТЭН и гексоген. Обладая плохой
прессуемостью, их зерна при прессовании разрушаются по типу хрупких
тел. Для улучшения прессуемости этих веществ их флегматизируют, т.е.
обрабатывают пластичными поверхностно - активными веществами,
такими, как церезин, стеарин, парафин и др. На основе гексогена
созданы составы A-IX-1, A-IX-2 и другие, обладающие неплохой
прессуемостью. В настоящее время эти составы широко используются
для формования зарядов методом прессования для различных видов
боеприпасов.
Как было отмечено выше, в составе порошкообразных веществ
может находиться адсорбированная влага из атмосферы, которая
адсорбируется на поверхности частиц. В твердых частицах жидкая часть
порошкообразного тела (ПТ) может находиться в виде
закапсулированного маточного раствора, раствора
перекристаллизационной среды, водного раствора от промывки и
охлаждения ПМ (такие жидкости механически связаны с материалом и
легко удаляются). Следует отметить, что содержание остаточной
влажности в выпускаемых заводами порошков ВВ регламентируется.
Для тротила ее не должно быть более 0,08–0,1 %, в аммиачной селитре
массовая доля влаги не более 0,9 % (действительная влажность достигает
2,5–5 %).
Газообразные включения в виде паров и газов постоянно
содержатся в составах ПМ, как в свободном, закапсулированном, так и в
растворенном виде в жидких компонентах порошкообразного материала.
В свободном виде они могут занимать внутричастичные и межчастичные
поры. Суммарно они будут влиять на общую пористость ПТ.
Общая пористость П
П
и пористости между частицами материала П
внутр
П
общ
= П
состоит из суммы пористости внутренней
общ
т.е.
м/ч,
внутр
+ П
м/ч
= (1 − )
нас
∙100 %. (8)
ист
Другими словами, общая пористость образована открытыми и
закрытыми порами. В открытых порах свободные газы могут сообщаться
12
с атмосферой. Закрытые поры образуются защемленными газами (как
внутри, так и между частицами).
Следовательно, перерабатываемый порошкообразный материал, в
общем виде, представляет собой трехфазное порошкообразное тело. И
как каждое реальное тело под действием давления оно будет оказывать
сопротивление изменению объема, формы и разрушению, т.е. обладать
определенной прочностью.
Гранулометрический состав порошков существенно влияет на
процесс прессования [1−4]. Поэтому условием получения качественных
прессованных изделий без дефектов является контроль
гранулометрического состава ВВ.
Как правило, порошки ВВ представляют собой полидисперсные
системы, состоящие из частиц различной крупности. В зависимости от
набора размеров частиц порошок характеризуется гранулометрическим
(фракционным) составом.
Фракция порошка − это определенная его часть, имеющая размеры
частиц в некотором специально выбранном диапазоне.
Гранулометрический состав порошка − содержание частиц в
определенных фракциях по отношению к общему количеству частиц в
анализируемой пробе, выраженное обычно в массовых долях (%).
Гранулометрический (фракционный) состав порошков представляют в
виде графиков, таблиц и гистограмм.
Для определения гранулометрического состава используют
ситовой, седиментационный, гидродинамический, микроскопический
методы анализа.
Для более полной характеристики порошка определяют размеры
частиц с помощью микроскопа. Средний диаметр частиц dср
рассчитывают по формуле (число частиц n= 100)
dср =
n
i
Kidi
100/ , (9)
1
где di − средний диаметр частиц группы измерений; Ki – содержание
частиц данной группы фракции, %.
Степень полидисперсности порошка оценивают по коэффициенту
вариации:
,
d
cp
13
где − величина среднеквадратичного отклонения размеров частиц
порошка от их среднего значения; dср − средний размер его частиц.
Например, при dср= 0,072 мм, = 0,044 мм и = 0,611 можно
обоснованно сделать вывод о преобладании в данной партии средних и
мелких частиц при высокой однородности их размеров.
Насыпная плотность и гранулометрический состав частиц
оказывает влияние на исходную укладку частиц в пресс-инструменте,
величину газопроницаемости при их уплотнении, на распределение
давления и плотности в объеме изделия.
При засыпке порошка взрывчатого вещества в матрицу между
частицами возникают силы контактного взаимодействия, которые в
значительной степени определяются физическими свойствами ВВ. Чем
выше прочностные характеристики частиц вещества и шероховатость их
поверхности, тем меньше насыпная плотность порошка. Из этого
следует, что одни и те же частицы в принципе способны образовывать
порошковые тела разной насыпной плотности.
Можно предположить, что при засыпке порошка ВВ в матрицу
частицы располагаются хаотично, образуя арочные мосты. Создать при
обычной засыпке компактную укладку частиц невозможно. Вместе с тем
качество прессованного изделия во многом зависит от степени
равномерности заполнения матрицы при засыпке.
Таким образом, при организации технологического процесса
прессования нужно знать пределы изменения упаковки частиц ВВ в
зависимости от различных факторов (их геометрических размеров и
формы). Экспериментальные исследования подтверждают
теоретические расчеты о том, что при утряске зерен одинакового
размера, близких по форме к шарообразной, независимо от абсолютных
размеров, фактический объем пустот составляет 37–42 %. Плотность
укладки монофракционных систем, состоящих из изометрических частиц
неправильной формы, мало отличается от плотности укладки
шарообразных частиц.
В системах, состоящих из различных фракций порошков,
наблюдается определенное повышение плотности (снижение
пористости) в результате распределения мелких частиц в промежутках
между крупными частицами.
Для нахождения оптимального гранулометрического состава
порошка ВВ нельзя ограничиваться только изучением заполнения
объема матрицы порошком, так как последующее силовое воздействие
14
на него, может существенно изменить ожидаемую картину уплотнения.
Например, чем выше давление прессования, тем больший интервал
зернового состава можно использовать для получения зарядов с
одинаковой пористостью. Кроме того, при прочих равных условиях,
степень неравномерности распределения плотности в объеме прессовок,
изготовленных из крупнозернистого порошка, растет с увеличением
высоты изделия медленнее, чем у изделий из мелкозернистых порошков.
Уплотнение порошков с малой начальной насыпной плотностью
происходит на первых стадиях преимущественно путем перемещения
частиц в поры. При прессовании порошков с большой начальной
насыпной плотностью, уплотнение практически сразу начинает
происходить за счет деформации самих частиц. С повышением давления
прессования уплотнение мелких и крупных частиц ВВ идет
преимущественно за счет их деформации, и преобладающее влияние на
процесс оказывает способность к деформированию самих частиц. На
этой стадии уплотнение происходит путем затекания частиц ВВ в поры,
а сопротивление деформированию, образующегося при этом
компактного тела, будет зависеть от размера пор.
Удельная поверхность порошка представляет собой суммарную
поверхность всех частиц, составляющих единицу его массы или объема.
Значения удельной поверхности для различных порошков ВВ
составляют от 100 до 20000 см2/г. Порошки ВВ с удельной поверхностью
более 2000 см2/г относят к разряду высокодисперсных.
Величина удельной поверхности − одна из важнейших
характеристик порошков, определяющая активность протекания физикохимических процессов, сопутствующих формированию свойств частиц,
их компактированию, спеканию, взаимодействию с окружающей средой
и т.д.
Удельная поверхность порошка обусловлена размером, формой и
состоянием поверхности частиц.
Наиболее часто для определения удельной поверхности
используют методы измерения газопроницаемости и адсорбции.
Коэффициент уплотнения К
представляет собой степень
упл
уплотнения сыпучих материалов под действием давления прессования
[2; 3]. Его величину оценивают соотношением между его начальной
насыпной плотностью ρн и плотностью сформованного пористого тела
(прессовки) ρп
15
К
упл.
=
п
. (10)
н
Для большинства сыпучих материалов, обрабатываемых
давлением, значение К
находится в интервале 1,5–2,5.
упл.
Влажность сыпучих материалов (W, %) – представляет собой
отношение массы влаги mв к массе материала, высушенного до
постоянной массы m
Весовая или массовая влажность порошкового
т.
материала определяется по формуле
m
W = %100
m
в
Т
. (11)
Масса влаги определяется как разность между массой исходного
порошка m
т.е. mв = m
и массой порошка, высушенного до постоянного веса mт,
исх
– mт.
исх
Под объемной влажностью WV понимают отношение объема
влаги, заключенной в материале, к объему всего материала, выраженного
в процентах. Следует отметить, что влажность сыпучих материалов –
величина переменная и колеблется в широких пределах в зависимости от
природы материала, гранулометрического состава порошка, температуры
и атмосферного давления. Она учитывается при определении многих
показателей сыпучих материалов.
Теплофизические свойства сыпучих материалов. При
теплотехнических расчетах нужно знать теплофизические
характеристики сыпучих материалов: теплоемкость, теплопроводность,
температуропроводность.
Теплоемкость сыпучих материалов – способность материала
поглощать тепло при теплообмене. Ее величина зависит от природы
компонентов сыпучего тела, его плотности и температуры. Различают
массовую и объемную удельные теплоемкости.
Теплоемкость единицы массы или удельная массовая
теплоемкость С численно равна количеству теплоты, которое нужно
сообщить единице массы вещества (1 кг) для изменения его температуры
на 1 градус Кельвина или на 1○С.
Теплоемкость единицы объема – количество энергии
необходимое для изменения температуры вещества объемом 1 м
3
на 1
градус Кельвина или на 1○С.
16
Для ВВ величина удельной массовой теплоемкости в состоянии
с
насыпной плотности при 20 ○С ~ 0,96÷1,70 [
Дж
кг∙℃
].
Для характеристики скорости передачи тепловой энергии принято
пользоваться коэффициентом теплопроводности и
температуропроводности.
Теплопроводность материала λ характеризует способность
материала проводить тепло и представляет собой величину равную
количеству теплоты, переносимой в единицу времени, через единицу
площади при температурном градиенте 1 К/м2 или 1 оС/м2.
Теплопроводность λ порошков ВВ в насыпном виде при
температурах от 20 до 40 оС изменяется в интервале 0,093÷0,72 [
Вт
м∙℃
].
Для порошка гексогена величина теплопроводности составляет 0,093, а
для состава A-IX-2 - флегматизированного гексогена, коэффициент
теплопроводности равен 0,72, т.е. больше, чем у чистого гексогена,
почти на порядок. Это связано с присутствием в составе алюминиевого
порошка, который обладает большей теплопроводностью в 20–30 раз, по
сравнению с ВВ.
Теплопроводность зависит также от плотности вещества или
состава. С повышением плотности от 0,80 до 1,76 г/см3 для состава AIX-2 теплопроводность возрастает от 0,72 до 1,16. Это можно объяснить
тем, что с уменьшением плотности порошкообразных тел возрастает их
пористость. При этом частицы менее плотно прилегают друг к другу, а
теплопроводность воздуха, заполняющего поры, значительно меньше,
чем у твердых компонентов тела.
Теплопроводность растет с увеличением температуры. При этом
возрастает теплопроводность среды, заполняющей поры между
твердыми частицами и увеличивается теплопередача излучением от
массива зерен.
Температуропроводность характеризует скорость
распространения температуры вследствие поглощения или отдачи тепла.
Величина температуропроводности рассчитывается по формуле
2
А =
м
[
с
] (12)
и зависит от природы сыпучей среды, плотности и температуры.
17
1.2. Роль технологической связки в составах ВВ
Для улучшения технологических свойств порошков ВВ
используются технологические добавки, в том числе и флегматизаторы.
Они представляют собой органические вещества, обладающие хорошей
обволакивающей способностью, высокой теплоемкостью, химически не
взаимодействуют с твердыми частицами ВВ (парафины, церезины,
синтетический воск и другие вещества) и выполняют несколько
функций: обеспечивают безопасность при прессовании, а также
необходимую перерабатываемость (прессуемость) состава с целью
формирования изделий с заданными свойствами. В качестве
флегматизатора в некоторых составах используется тротил [1; 2; 7].
С изменением толщины слоя технологической добавки-связки на
кристаллитах (зернах порошка), изменяется соотношение между упругой
и пластической составляющими деформации, характер процесса
уплотнения материала, коэффициент внутреннего и внешнего трения.
При этом природа основного вещества оказывает влияние на
коэффициенты трения только до определенной толщины пленки связки.
При больших толщинах таких пленок сила трения будет определяться их
объемными свойствами.
Так, при прессовании порошков смесей типа A-IX-1, большую
роль в формовании изделий играют свойства порошков, количество и
равномерность распределения флегматизатора на частицах ВВ,
газопроницаемость состава на разных стадиях уплотнения и количество
запрессованного воздуха в изделии. При обосновании оптимального
количества флегматизатора в составе нужно учитывать, что толщина его
пленки будет зависеть не только от его содержания в составе, но и от
удельной поверхности, формы и дефектности самих частиц ВВ. В связи с
этим на практике имеют место случаи, когда увеличение удельной
поверхности порошков ВВ и размеры их частиц, оказывают большее
влияние на физические свойства состава, чем толщина пленки
флегматизатора между частицами. Для состава A IX-1 было показано,
что увеличение содержания флегматизатора в системе и уменьшение
удельной поверхности зерен гексогена, способствуют формованию
изделий с меньшей пористостью.
Кроме того, установлена зависимость влияния удельной
поверхности порошков и количества флегматизатора на значения
18
коэффициентов бокового давления и внешнего трения, что в конечном
итоге влияет на поле напряжений прессуемого изделия и соответственно
на его плотность.
При уплотнении смесевых ЭНМ деформации в основном будут
происходить в слоях технологической связки, а зерна порошка,
входящие в состав гранул, будут претерпевать упругие и незначительные
пластические деформации и разрушение.
Явления хрупкого разрушения частиц при уплотнении порошков
ВВ наступают в тех случаях, когда возникающие напряжения в
формуемой прессовке превышают предел прочности зерен порошка. При
этом в зависимости от уровня давления имеют место случаи частичного
разрушения зерен (срезание или раздавливание углов, выступов,
неровностей), так и сплошное их раздавливание.
Экспериментально установлено (на примере состава A-IX-1), что
при прессовании имеет место дробление зерен гексогена [1]. Так, при
давлении 150 МПа измельчается ~ 25 % частиц с размером зерен 0,3–
0,5 мм; ~ 14 % − с размером 0,2–0,3 мм; и ~ 6 % − если их размеры
составляли 0,1 мм и менее.
Следует отметить, что добавки, улучшающие прессуемость смеси
ЭНМ, в процессе прессования могут перекрывать тонкие
воздухопроводящие каналы в порошкообразной системе и тем самым,
способствовать запрессовке избыточного количества воздуха в
прессовке.
Рассмотрим, что же происходит с воздухом, который
захватывается вместе с порошком при засыпке его в матрицу [1; 3]. При
уплотнении порошка вероятны следующие процессы: вытеснение части
воздуха из ПМ, сжатие оставшегося воздуха в порах, частичное
перераспределение его в объеме прессовки и растворение в компонентах
состава смеси. Вытеснение воздуха из пор порошкового материала
происходит из-за перепада давлений между воздухом в порах и внешней
средой. Вытесненный воздух удаляется наружу через зазоры между
подвижными деталями пресс – инструмента (матрица – пуансон, матрица
– поддон). Скорость его вытеснения меняется за время прессования и
зависит, с одной стороны, от движущей силы процесса (т.е. от роста
давления воздуха в порах) и, с другой стороны, от роста сопротивления,
за счет снижения газопроницаемости формуемого изделия. На скорость
вытеснения воздуха большое влияние оказывает объем и конфигурация
19
прессуемого изделия, режим нагружения давлением (скорость
прессования), а также ряд других факторов.
К моменту прекращения истечения воздуха из формуемой
прессовки общее количество выделившегося воздуха в зависимости от
скорости прессования составляет 77–89 % от начального его количества.
Таким образом, в прессованных изделиях остается от 10 до 15 % воздуха
(от начального его объема в порошке), что приводит к снижению их
качества. Поэтому прессование ЭНМ должно проводиться при условиях,
которые бы обеспечивали максимальное удаление воздуха.
Имеются противоречивые данные о влиянии воздуха на процесс
прессования и качество получаемых при этом изделий. Одни авторы
считают, что роль воздуха незначительна, другие − наоборот. С этим
разнообразием мнений связаны выводы о целесообразности
вакуумирования при прессовании [1−3].
Необходимость изучения степени удаления воздуха из
уплотняемого порошка на разных этапах формования изделий вызвана
тем, что без учета всех факторов, связанных с этим процессом
невозможно объяснить некоторые аномальные явления, которые имеют
место на практике. Так, образование волосовидных и других видов
трещин, сколов, коробление, потеря формы, колебания физикомеханических свойств изделий, полученных при одних и тех же режимах
и технологии формования, связывают с присутствием воздуха в
прессовках.
Было показано, что отрицательное влияние запрессовки воздуха
при прессовании увеличивается, во-первых, если прессование ведется до
плотности близкой к критической (к теоретическому пределу прочности
компактного беспористого тела). Во-вторых, если уплотнение порошка
происходит в условиях, затрудняющих удаление воздуха и вызывающих
его неравномерное распределение в объеме прессовки (это характерно
при прессовании порошков мелких фракций, когда происходит
значительный захват воздуха при засыпке порошка в матрицу), а также
при использовании сложной формы прессуемого изделия. В связи с этим
необходимо применять меры для удаления воздуха из засыпанного в
матрицу порошка или минимизировать его количество при прессовании.
Это может быть достигнуто подбором гранулометрического состава
порошка, выбором оптимальных режимов прессования,
вакуумированием его после засыпки в матрицу.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]