Целая. Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям Летательные аппараты

• Название: Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям Летательные аппараты
• Анкор: Целая.doc
• Дата: 30.10.2017
• Размер: 32.33 Mb.
• Имя файла: Целая.doc
• Тип: Учебник; #9974
• страница: 17 из 30

7.3.3. МЕТОДЫ МЕХАНИЧЕСКОГО ДРОБЛЕНИЯ

Измельчение материалов дроблением (размолом или истирани­ем), являясь старейшим методом перевода твердых веществ в по­рошкообразное состояние, может применяться как самостоятельно для получения порошков, так и в качестве дополнительной опера­ции к другим методам. Наиболее целесообразно применять его при измельчении хрупких металлов (кремний, бериллий, хром, марга­нец) и сплавов (некоторые из алюминие-магниевых).

Если необходимо дробить пластичные металлы (цинк, медь, алю­миний, железо и т. п.), то сначала их переводят в хрупкое состояние, т. е. понижают пластичность и ударную вязкость.

Наиболее распространенными методами охрупчивания являют­ся термообработка и наводораживание. Водород интенсивно про­никает в металл и образует хрупкие соединения. После дробления водород можно удалить путем вакуумного отжига.

Процесс дробления твердых тел заключается в том, что под дей­ствием внешних сил в наиболее слабых местах образуются мельчай­шие трещины. В момент разрушения напряжения превышают пре­дел прочности материала, упругая деформация сменяется деформа­цией разрушения и происходит измельчение. Согласно теории дроб­ления, предложенной академиком П. А. Ребиндером, работа, затра­чиваемая на измельчение, является суммой двух энергий:
Е= σ · ʌS +КʌV,

где σ · ʌS - энергия, расходуемая на образование новых поверхностей; а - удельная поверхностная энергия; ʌS - приращение поверхности; КʌV - энергия деформации, равная работе К упругой деформации на единицу объема; ʌV - величина объема, подвергшегося деформации.

При крупном дроблении величина вновь образовавшейся поверхности невелика, так как получаемые частицы значительны по размеру. В связи с этим σ · ʌS ˂ КʌV, и расход энергии на дробление примерно пропорционален объему разрушаемого тела.

При тонком измельчении, наоборот, σ · ʌS >> КʌV и расход энер­гии приблизительно пропорционален площади вновь образовавшей­ся поверхности. Много энергии тратится на нагрев и деформацию, поэтому КПД измельчения очень мал.

Общая схема получения порошков механическим дроблением.

1. 
   Подготовка шихты:
   

- предварительное грубое дробление;

- механическая обработка слитков для получения стружки;

- наводораживание.

2. 
   Размол шихты в шаровых, вибрационных, вихревых мельницах.
   
3. 
   Отжиг для снятия наклепа и удаления водорода.
   

ШАРОВЫЕ МЕЛЬНИЦЫ. Для грубого дробления применяют

шаровые, валковые и конусные дробилки, а также бегунки. Размер получаемых таким образом частиц находится в пределах 1...10 мм. Окончательный размол производится в шаровых, вибрационных, цен­тробежных планетарных, вихревых или молотковых мельницах. Пер­вая из них является простейшим средством для получения относитель­но мелких порошков, от нескольких до десятков микрометров. Она представляет собой вращающийся металлический барабан, загружен­ный размольными телами, представляющими собой стальные, твер­досплавные или керамические шары. В нужном соотношении в бара­бан загружается измельченный материал. Существует несколько ре­жимов измельчения, но, главное, нужно выбирать такую скорость вра­щения барабана, которая не превышала бы критическую, когда шары за счет центробежных сил будут вращаться вместе с мельницей.

,

где D - внутренний диаметр барабана, м; размер размольных ша­ров не должен превышать 1/20 D; N_Kp- критическая скорость вра­щения барабана, колеблется в пределах 30... 120 об/мин.

Для интенсифицирования процесс размола проводят в жидкой среде, которая препятствует распылению материала, особенно хруп­кого, внутри барабана мельницы и обратному слипанию частиц. Кроме того жидкость создает капиллярное давление в микротрещинах. Одной из разновидностей шаровых мельниц являются так называемые аттриторные устройства, представляющие собой непод­вижные вертикальные барабаны, в которых вращаются вертикаль­ные мешалки, увлекающие шары. Аттриторы эффективны при по­лучении ультратонких порошковых смесей.

ВИБРАЦИОННЫЕ МЕЛЬНИЦЫ. Для тонкого помола исполь­зуются вибрационные мельницы. Одна из разновидностей их пред­ставляет барабан с шарами или цилиндрами, которые перемещают­ся в различных направлениях. Колебательные движения создаются с помощью эксцентрикового вала, вращающегося со скоростью 1500...3000 об/мин. Амплитуда колебаний - 2...3 мм. Для небольших мельниц в качестве вибраторов используются электромагниты. Пре­дупреждение: вибромельницы нельзя включать незагруженными.

При распространении ультразвуковых колебаний в жидкости возникает избыточное давление газа по отношению к атмосферно­му. При этом происходит расширение и сжатие жидкости, вернее пузырьков газа в ней: они, соответственно, растут или захлопываются. Это приводит к кавитации при соотношении:

где R₀ - радиус газового пузырька; v - частота колебаний.

Генерируемые ударные волны вызывают давления в пузырьках, достигающие 1000 МПа, что и приводит к разрушению частиц. К это­му добавляется еще и эффект Ребиндера, который состоит в следую­щем: при попадании жидкости в микротрещину там за счет поверхнос­тного натяжения жидкости возникают расклинивающие силы. Этот эффект используют при обработке резанием, когда применяют специ­альные жидкости. Об этом, как правило, мало кто знает.

Существуют вихревые, струйные и другие мельницы.

Наиболее дешевым способом получения порошков является распыление расплавленного металла.
7.3.4. РАСПЫЛЕНИЕ РАСПЛАВОВ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Распыление является одним из наиболее производительных мет­одов получения порошков. В его основе лежит распыление расплавленного металла с помощью воздуха, инертных газов, пара, воды или ударов лопаток вращающегося диска.

Этот метод применяется при изготовлении порошков сравнительно легкоплавких металлов и сплавов, таких как свинец, цинк, медь, чугун, железо, сталь, бронза, латунь. Температура плавления ограничивается и практически близка к 1400 °С, что обусловлено стойкостью огнеупоров.

Мы рассмотрим наиболее распространенный метод распыления, установка для которого изображена на рис. 67. Такая установка обеспечивает хорошее распыление с большим выходом тонких фрак­ций и используется для получения порошков различной формы.






Рис.67. Установка для распыления жидкого металла:

1 – металлоприемник или печь для расплава металла; 2 – колонна распыления; 3 – блок форсунок; 4 - отстойник или сборник порошка; 5 – нагреватель; 6 – сливное отверстие; 7 – металлогазовый или металлопароводяной факел; 8 – расплав металла.
Назовем основные факторы, влияющие на свойства получаемых порошков.

Физико-химические: вязкость, плотность, поверхностное натяже­ние, теплоемкость, теплопроводность.

Технологические: температура расплава и энергоносителей, дав­ление энергоносителя и скорость истечения, удельный расход диспер­гирующих газов или жидкостей.

Конструкционные: форма и размер форсунок, угол их располо­жения, размер колонны и т. п.

С повышением температуры расплавов их вязкость снижается, а значит, возрастает текучесть.

Поведение вязкости подчиняется закону Аррениуса:

,

где Y₀- кинематическая вязкость расплава при температуре плав­ления металла; Е - общая энергия системы; R - универсальная газо­вая постоянная; Т - абсолютная температура расплава.

Под действием поверхностного натяжения капля металла стре­мится принять форму шара, т. к. последний имеет минимальное зна­чение поверхностной энергии. Изменяя вязкость и поверхностное натяжение расплава, его начальную температуру, коэффициент теп­лоотдачи (например, изменяя скорость подачи газа или жидкости), можно активно влиять на форму частиц получаемого порошка.

Энергоноситель может быть химически активным или пассив­ным к распыляемому расплаву. Начальной стадией взаимодействия является физическая адсорбция газа на поверхности расплава, ко­торая резко возрастает при дроблении струи и увеличении вместе с тем поверхности взаимодействия.

Метод распыления водой - один из наиболее экономичных. Дав­ление струи воды изменяется в пределах от 5 до 18 МПа.

Для предотвращения окисления колонна заполняется азотом или аргоном. При распылении водой скорость охлаждения капель и ча­стиц порошка достигает 10⁶ К/с (для сравнения , при обычном ох­лаждении литья - 1 К/с).

Сверхвысокие скорости охлаждения обеспечивают особую неравновесную микроструктуру материала, характеризующуюся от­сутствием ликваций, сегрегаций, а также избыточное содержание легирующих элементов в твердом растворе.

Наличие неравновесной структуры в частицах порошка и его активности приводит к значительному повышению свойств спечен­ного компактного материала. Такая микроструктура образуется при скоростях охлаждения выше 10⁵ К/с. Размер частиц можно опреде­лить по формуле Лышевского:

,

где W - скорость водяной струи; - поверхностное натяжение рас­плава; ρ - плотность расплава; d - диаметр частицы.

Диспергирование практически осуществляется не водой, а перегретым паром, образующимся у поверхности капель расплава.

Изменяя при распылении температуру, давление, атмосферу в колонне (камере), можно регулировать форму, размер частиц, ско­рость их охлаждения.

Форма частиц, как известно, оказывает определяющее влияние на формуемость порошковых материалов, спекаемость и т. п. Ос­новные закономерности процесса распыления водой справедливы и при газовом распылении.

Существует ряд других специальных методов распыления рас­плавов, в том числе таких, при которых образуется аморфная струк­тура порошковых частиц.
7.4. ПРЕССОВАНИЕ ПОРОШКОВ
В зависимости от назначения прессуемых изделий, свойств порошков, технологических возможностей, наличия оборудования и экономической целесообразности применяют следующие методы прессования (формования):

- динамический;

- прокатки;

- вибрационный;

- динамического горячего прессования;

- изостатического прессования (горячего и холодного);

- прессования взрывом;

- экструзии и газостатического прессования.

На рис. 68 приведены схемы указанных методов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ МЕТОДОВ ПРЕССОВАНИЯ.

Динамический метод холодного прессования. Наиболее распро­странен. Стальная матрица и пуансон выполняются приближенны­ми к форме изделия. Давление прессования колеблется от несколь­ких мега паскалей до их сотен - в зависимости от назначения изделий

- и создается с помощью стандартных прессовок. Недостатком ме­тода является сложность получения заготовок больших размеров.

Метод прокатки. Применяется при формовании пористых лент и листов из осколочных порошков, которые после спекания применяются в основном для фильтров. Холодная прокатка или теплая прокатка производится в несколько проходов после горя­чей экструзии с целью создания оптимальной дислокационной структуры.

Вибрационный метод. Применяется при формовании порошков с добавками специальных связок (стеарин, крахмал и т.п.).



Рис. 68. Схематическое изображение различных методов формования

изделий из порошков:

а – ж соответственно – динамический холодного прессования, прокатки,

вибрационный горячего динамического прессования, изостатического горячего

(холодного) прессования, прессования взрывом, горячей экструзии; 1 – пресс-форма;

2 – пуансон; 3 – прессуемый порошок; 4 – нагреватель; 5 – валки; 6 – готовая прессовка;

7 – корпус стальной; 8 - горячий газ; 9 – жидкость; 10 – взрывное устройство; 11 – фильера;

12 – цилиндр

Горячее динамическое прессование применяется при изготовлении особо ответственных изделий.При этом достигаются равные показатели плотности и прочности материала по всему объему,а также необходимые размеры деталей. Метод позволяет получать практически безотходные изделия.

Более подробное горячее динамическое прессование будет рассмотрено при изучении технологии изготовления вольфрамо-медной облицовки критического сечения сопла РДТТ.

Изостатическое горячее прессование (формование). Применяется при изготовлении изделий ответственного назначения, сложной формы и из сравнительного дефицитного сырья. Это – жаропрочные материалы высоколегированные инструментальные стали, редкоземельные и чистые металлы. При таком методе получаются заготовки с высокими плотностью и прочностью, не требующие большого съема металла при механической обработке.

Гидростатическое (изостатическое) холодное прессование порошков. Производится в эластичныхоболочках из резины или тонкого стального или алюминиевого листа в специальных сосудах высокого давления.Вследствие отсутствия потерь на трение, плотность прессовок на 20% выше, чем при прессовании в пресс-форме при таких же давлениях. По производительности этот метод хуже прямого прессования, но применяется довольно часто, так как позволяет получать практически беспористые заготовки больших (до 1,2 м) и малых размеров.Подробно метод гидростатического прессования рассматривается при изучении псевдосплава ВНДС.

Прессование взрывом. Применяется при холодном формовании крупногабаритных изделий из хорошо формуемых порошков (осколочных). Обычно осуществляется под водой в специальных бассейнах. В ракетной технике этот метод применяется, например, при штамповке днищ топливных баков.

Горячая экструзия. Осуществляется с целью уплотнения материала и формования дислокационной структуры,обеспечивающей термическую стабильность и прочность, высокую степень обжатия. Температура процесса не

превышает температуры спекания, предельное давление не превышает 1000…1400 Мпа. Иногда, для тугоплавких порошков, экструзия осуществляется в мягких оболочках из алюминия или нержавеющей стали. Послеэкструзии применяют и другие виды деформации (волочение, прокатка, ковка и т.п.).

Конечно, на практике применяются различные методы формования даже при изготовлении одних и тех же изделий.

7.5. СПЕКАНИЕ ПОРОШКОВ.

В порошковой металлургии – спекание одна из основных операций, в процессе которой происходит превращение

брикета, спрессованного из порошка, в прочное монолитное тело. Несмотря на интенсивное развитие порошковой металлургии широкое использование спекания, явления и процессы, происходящие в пористой заготовке при нагреве,

до сих пор остаются предметом дискуссий в среде теоретиков и экспериментаторов.

Существует несколько школ, подходов к спеканию, объясняются те или иные факты, но общей стройной картины нет.

Это отчасти можно объяснить тем, что спекаются порошки разных металлов и при разных режимах. Среди ведущих специалистов можно назвать представителей Украины и СССР: Я. Е. Гегузина, Г. В. Самсонова, Б. Я. Пинеса, Я. И. Френкеля, В. А. Ивенсена.

Основными параметрами процесса спекания являются температура, скорость нагрева, среда, в которой он протекает.

Различают твердофазное и жидкофазное спекание.

Твердофазное спекание. Простейшая теория спеканияобычно рассматривает две сферы, между которыми происходит увеличениеконтактной поверхности и сближение частиц, т.е. усадка (рис.69).

Поверхностная диффузия происходит под действием разности термодинамических потенциалов на контактной поверхностии на свободных поверхностях. Наименее подвижны атомы на контактных участках, наиболее – на выступах и вершинах наружных углов. За счет диффузии увеличивается контактная поверхность, но уменьшаются общая поверхность и внутренняя энергия. Так как сближения между частицами нет, то должны образовываться поры или иначе – происходит их коагуляция. При этом запас энергии у атомов на поверхности крупных и мелких частиц не одинаков.

Б. Я. Пинес предложил следующий механизм объемной деформации частиц: вблизи поры радиуса r имеется повышенная концентрация вакансий на величину ∆С, которая определяется из соотношения:


где σ– поверхностное натяжение; V₀ – объем элементарной ячейки; С₀ – равновесная концентрация вакансий.

Так как имеется неравновесная концентрация вакансий, имеет место градиент,

приводящий к диффузионному оттоку вакансий от 7^* поверхности поры в объемы с меньшей их концентрацией. Обратный процесс – диффузия атомов, уменьшение порыи усадка частицы и материала в целом.

Я. Е. Гегузин предложил другой механизм уменьшения пор и усадки, если спекание происходит под внешним давлением, например при горячем формовании. Он учитывает основанное на идее о вязком течении кристаллических тел, вызванном направленным перемещением атомов или вакансий, указание Я. М. Френкеля на две стадии спекания:

- увеличение поверхности соприкосновения частиц до образования изолированных пор (рис. 70);