Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Размер частиц в порошках и распределение частиц по фракциям

01.05.2019

Размер частиц в порошках, применяемых для целей порошковой металлургии, обычно колеблется от 0,5 мм до долей микрона. Самый широкий диапазон размеров частиц у порошков, изготовляемых восстановлением и электролизом. Этими методами можно получать как очень тонкие порошки, диаметром до 0,1 и даже 0,01 мк, так и крупные частицы, величиной несколько десятков и сотен микронов. Порошки, полученные механическими методами, обычно по размеру не меньше нескольких микронов. Верхний предел величины их частиц составляет примерно до 0,5 мм.

Порошковые частицы в зависимости от их размера и метода получения представляют собой либо одно- либо многокристаллитные образования. Они могут иметь также внутренние поры, трещины и т. д.

Распределение частиц по фракциям, или гранулометрический состав, и размер частиц определяются условиями получения порошков. В свою очередь эти характеристики оказывают большое влияние на поведение порошковых брикетов при прессовании и спекании. Поэтому ситовой состав почти всегда оговаривается в ТУ и ГОСТах.

В связи с широким диапазоном размеров частиц имеется несколько методов исследования гранулометрического состава порошков. Главные из них следующие: рассев порошка на стандартных ситах, подсчеты в оптическом и электронном микроскопах, седиментация и некоторые другие.

Рассев порошков на ситах. Этот метод наиболее распространен в практике металлокерамического производства. Ситовой анализ заключается в просеве порошка через ряд сит, из которых каждое нижеустановленное имеет меньший размер ячеек, чем вышележащие. По окончании рассева остаток на каждом сите и на обечайке (поддоне), которой заканчивается набор сит, взвешивается. Длительность рассева составляет 15—20 мин., величина навески порошка — 100 г. Операция рассева производится на наборе стандартных сит, который помещается в специальный вибровстряхиватель (рис. 38).
Размер частиц в порошках и распределение частиц по фракциям

В России для определения гранулометрического состава используется стандартная шкала сеток с квадратными ячейками (табл. 17). В этой же таблице приведены ситовые стандарты, принятые в США (стандарт Тейлера) и Великобритании.

В табл. 17 указано также примерное число меш — количество отверстий на 1 линейный дюйм сита. По ГОСТу 3584-53, номер сетки соответствует номинальному размеру ячейки сита в свету.

Результаты ситового анализа выражаются в процентном содержании количества каждой фракции по отношению к общей навеске. Фракция порошка, оставшаяся на сите 0056, но прошедшая через сито 0063, обозначается — 0063+0056, или — 0,063+0,056 мм.

Результаты ситового анализа записываются так, как это было показано нами ранее в табл. 4 и 6 для железного порошка.

Гранулометрический состав порошков может быть представлен графически, по оси абсцисс откладывается средний размер частиц в каждой фракции, а по оси ординат — количество частиц в процентах.

Ситовой анализ в связи со своей простотой и быстротой выполнения является основным методом контроля зернистости в порошковой металлургии. Основным недостатком этого метода является то, что минимальный размер отверстия в ситах не ниже 40 мк, т. е. тонкие порошки не поддаются ситовому анализу.

В исследовательской практике имеются случаи применения и более мелких сит, однако широкого применения такие сетки в связи с трудностью их изготовления еще не получили.

Следует иметь в виду, что форма частиц вносит ошибки в результаты ситового анализа. Дискообразные частицы могут оставаться на сите с размером ячейки больше их поперечника, а иглообразные частицы могут проходить через сито с отверстиями меньше их длины. Ошибки также возникают в случае склеивания частиц, или, наоборот, разрушения в результате интенсивного и длительного встряхивания. Для определения зернистости тонких порошков и в лабораторной практике изучения грубых и средних порошков применяются другие методы.

Микроскопические методы. Измерение размера частиц в оптическом и электронном микроскопах является прямым методом исследования. Оптический микроскоп позволяет измерять частицы размером от ~0,3 до ~100 м/с.

Микроскопический метод заключается в приготовлении препарата из исследуемого порошка и рассматривании его в микроскоп. Для оптического микроскопа препарат готовится либо на предметном стекле, либо с помощью искусственных смол. По первому способу небольшое количество изучаемого порошка из взятой пробы (сотые грамма) переносится на предметное стекло и растирается с помощью скипидара или глицерина на поверхности стекла равномерным слоем.

Приготовленный таким образом препарат рассматривается либо в биологический, либо в металлографический микроскоп при увеличении 200—600. С помощью окуляр-микрометра определяется размер частиц. Порядок взятия пробы, приготовления препарата и методика счета частиц подробно описаны в монографии Г.В. Самсонова и С.Я. Плоткина.

По второму способу частицы порошка заливаются шеллаком или бакелитовым лаком. Брикеты из этой массы прессуют и полимеризуют при температуре 140°. После затвердевания эти брикеты шлифуются, полируются и исследуются в металлографическом микроскопе.

Сравнительно низкая разрешающая способность оптических микроскопов заставляет в некоторых случаях прибегать к помощи электронного микроскопа, в котором могут изучаться объекты размером вплоть до 10 А. Исследуемый порошок вносится в электронный микроскоп на специальной пленке-подложке. Возможны два основных способа помещения частиц порошка на пленку.

По первому способу порошок наносится на пленку-подложку, которая предварительно изготовляется из коллодия, кварца, закиси кремния, угля обычными для электронной микроскопии методами. Порошок наносится в виде суспензии либо просто насыпается на пленку-подложку. Следует учитывать при этом возможность агломерирования частиц, что может привести к искажению результатов.

Второй способ, частично лишенный указанных недостатков, состоит в том, что частицы изучаемого порошка включаются в самую пленку-подложку. Для этого приготавлигается суспензия из порошка в 1 %-ном растворе коллодия в амилацетате; капля суспензии наносится на поверхность воды, в результате чего образуется пленка с включенными в нее частицами.

Иногда исследуемый порошок запрессовывают в пластмассу (например, конденсат меламина и формальдегида), изготавливают после полимеризации обычный шлиф, травят его и снимают с поверхности реплику, которую затем изучают в электронном микроскопе.

При электронномикроскопическом исследовании тонких порошков важно избежать агломерации частиц. Для этого иногда применяют обработку порошковых скоплений в переменном магнитном поле напряженностью 1000—2000 э.

Подробно методы препарирования порошков для электронномикроскопических исследований изложены в монографии А.Н. Пилянкевича.

Достоверные результаты определения размеров частиц микроскопическим методом могут быть получены только при изучении большого количества частиц. По Н.А. Фигуровскому, число замеров должно быть около 2000. Ho обычно ограничиваются несколькими сотнями замеров.

Измерение размеров частиц проводится в поле микроскопа, либо на проекционном экране, либо на снимках микрофотографий.

Если изучаемые частицы имеют приблизительно округлую Или многогранную форму, то обыкновенно ограничиваются определением размера одного измерения. В случае же удлиненной формы частиц измеряют длину и ширину частиц.

Результаты микроскопического анализа выражают либо в процентном соотношении количества частиц, либо в объемном (весовом) содержании. Для наглядности и для удобства сравнения дисперсности различных порошков обычно прибегают к помощи графиков.

Графическое изображение результатов дисперсного анализа, выполненного микроскопическими методами, седиментацией или ситовым анализом, может быть осуществлено несколькими способами. Исходными данными для этого являются количественные результаты содержания различных фракций в исследованной навеске порошка. Рассмотрим для примера графическое изображение следующих данных дисперсионного анализа (табл. 18).

По оси абсцисс при графическом изображении откладываете размер частиц, а по оси ординат — процентное содержание. Данные табл. 18 могут быть представлены в виде суммарных (кумулятивных) кривых либо в виде частных кривых, характеризующих содержание отдельных фракций. В первом случае каждая точка кривой соответствует суммарному содержанию частиц, больших или меньших данного размера. Первая точка суммарной кривой в соответствии с данными табл. 18 будет иметь ординату, равную 3%, вторая — 6% (это означает, что частиц с диаметром более 30 мк содержится 6%), третья — 10,5% и т. д. Построение суммарной кривой можно начинать и с минимальных размеров, ординаты 1-й, 2-й и 3-й точек будут в этом случае соответственно 4,5; 20,7; 42,7%. В первом случае кривая называется суммарной по плюсу, во втором — суммарной по минусу.

Частные кривые в порошковой металлургии имеют широкое распространение, они строятся в большинстве случаев на основании среднего в пределах данной фракции размера. Построенные по данным табл. 18 кривые распределения показаны на рис. 39. Точка перегиба на суммарных кривых соответствует наивероятнейшим размерам частиц системы и совпадает с максимумом частной кривой.

Частные кривые распределения порошковых частиц приводились нами ранее на рис. 14, 32, 33. На рис. 21 показаны суммарные кривые по минусу, а на рис. 23 — по плюсу.

Частная кривая сходна по своему характеру с дифференциальной кривой распределения (рис. 39,б). Последняя изображает относительное содержание отдельных фракций системы в виде площадей, ограниченных кривой и осью абсцисс. Каждая фракция изображается в виде прямоугольника, основание которого равно интервалу размеров данной фракции, а высота равна содержанию данной фракции, отнесенному к единице интервала радиусов. Если бы интервал радиусов в пределах каждой фракции был одинаков, то частная и дифференциальная кривые полностью совпадали бы.

По данным графика рис. 39, б, можно определить количество частиц диаметром от dn до dn+1, которое численно равно площади, ограниченной кривой F(d), ординатами точек dn и d и интервалом Ad = dn — dn+1.

Недостатком микроскопических методов является большая длительность определения. Поэтому в большинстве случаев они используются либо для сравнения с другими методами исследования дисперсности, либо в связи с невозможностью применения других методов (например, при измерении частиц размером меньше микрона). Микроскопические методы широко применяются для изучения формы порошковых частиц.

В последнее время проводятся исследования по разработке автоматических методов микроскопического анализа. Обзор этих работ дан Бэллом. Принцип автоматического счета заключается в измерении интенсивности светового луча, который «прочитывает» изображение исследуемых частиц, постепенно пробегая все поле зрения.

Число частиц и их размеры изменяют интенсивность светового пучка, падающего на фотоэлемент. Благодаря этому при помощи электронного устройства удается подсчитать распределение частиц по размерам.

На подобном принципе работают приборы, использующие вместо светового электронный луч. Автоматические методы микроскопического анализа находятся в стадии разработки. Применение их, несомненно, будет расширяться.

Седиментационные методы. В основе этих методов лежит определение скорости оседания частиц в какой-либо дисперсионной среде. Скорость оседания частиц в вязких средах связана с радиусом частиц по известному закону Стокса

где v — скорость оседания частиц, см/сек; r — радиус частицы, ом; ук — плотность частиц, г/см3; уж — плотность жидкой среды, 1 г/см3; n — вязкость, г/см*сек; g — ускорение силы тяжести, см2/сек.

Формулу (II.1) можно преобразовать, объединяя все постоянные в константу k, и получить следующее выражение

где H — расстояние, пройденное частицами; t — время.

Из выражения (II.2) видно, что по скорости оседания частиц можно легко определить их средний размер.

Существует много вариантов седиментационного анализа. Их подробное описание можно найти в монографии Н.А. Фигуровского. Мы опишем лишь те седиментационные методы, которые применяются в порошковой металлургии. Весовой метод состоит во взвешивании количества оседающего вещества с помощью аналитических или других весов, одна из чашек которых опускается в сосуд с исследуемой суспензией. После многократного взвешивания осадка во времени можно построить кривую оседания, общий вид которой показан на рис. 40. Гранулометрический состав изучаемого порошка определяется на основании графического анализа кривой оседания. Рассмотрим этот анализ.

Если исследуемый порошок состоит из монодисперсных частиц (частиц одного размера), то в соответствии с законом Стокса оседание всех частиц проходит с одинаковой скоростью. Графическое изображение процесса оседания частиц такой системы дано на рис. 41, а (где t1 — время полного оседания). В случае смеси порошков с частицами двух размеров график оседания может быть представлен в виде двух прямых с различными углами наклона к оси абсцисс (рис. 41,б). Углы наклона прямых OA и OB пропорциональны скорости седиментации (размерам частиц). Однако при экспериментальном изучении оседания бидисперсных смесей получаются не отдельные прямые OA и OB, а ломаная прямая ОА'В', перелом на которой (точка А') свидетельствует, что ко времени t2 полностью выпала более крупная фракция. В момент времени Q количество фракции В будет пропорционально отрезку tib, а фракции А—отрезку tia, общее же количество осевшей ко времени смеси пропорционально отрезку tiа'. Ордината точки В', соответствующая времени полного выпадения фракции В, выражает количество осевшей смеси. Для определения относительного содержания частиц обеих фракций достаточно продлить A1B1 до пересечения с осью ординат. Отрезки OQ1 и Q1Q2. равные соответственно At2 и BB2, будут представлять количества фракций А и В. Размеры частиц определяются из соотношений (II.1) или (II.2), поскольку время и высота известны из опыта.

В случае полидисперсных систем, с которыми приходится иметь дело на практике, графики кривых седиментации представляют собой не ломаные линии, а плавные кривые параболического типа (рис. 40). Это объясняется непрерывным изменением размеров частиц реальных порошков. Относительные количества частиц различных размеров определяются путем сравнения отрезков, отсекаемых на оси ординат касательными к кривой оседания в различных точках. Эти точки, соответствующие определенным временам оседания, можно рассматривать как бесконечно малые прямолинейные участки суммарной ломаной линии с большим количеством изломов. Таким образом, общее количество порошка пропорционально отрезку OQ4, отрезки OQ1, OQ2, OQ3 и т. д. соответствуют содержанию частиц радиусом r1, r2, r3.

На основании такого анализа кривой седиментации строится распределение частиц исследуемого порошка по фракциям (кривая гранулометрического состава). Весовые методы позволяют получить полную седиментационную кривую. Практический предел размеров частиц, охватываемых весовым методом, составляет 1—100 мк. Частицы, размером менее 0,5—1 мк, оседают очень медленно и практически не могут быть идентифицированы. Скорость же оседания частиц с размером более 100 мк, наоборот, очень велика, и для проведения точных опытов нужно использовать сосуды значительной высоты.

Отбор пробы порошка для седиментационного анализа осуществляется из порошка, рассыпанного на бумаге слоем одинаковой толщины и разделенного на равные квадратные участки. Отбор производится в шахматном порядке, затем после смешения операция квартования повторяется. Величина навески для исследования обычно составляет 1—2 г, а концентрация суспензий 1—5%.

Высота сосуда, в котором производится оседание частиц, зависит от размера исследуемых фракций. Порошки с величиной частиц 1—25 мк удобно исследовать в сосудах высотой от 15 До 30 см) более грубые частицы требуют использования сосудов высотой не менее 30—40 см. Диаметр сосуда 5—6 см, а диаметр чашки, на которую оседают частицы 3—4 см. Перед опытами суспензия в течение 3—5 мин. тщательно размешивается, потом чашка весов помещается в суспензию, включается секундомер, а весы уравновешиваются. Первый отсчет делается через 20— 30 сек. после начала опыта.

Детально практические сведения по выполнению седиментационного анализа изложены Н.А. Фигуровским.

Одним из вариантов седиментационного анализа является отмучивание, которое выполняется разделением исследуемой дисперсионной системы на фракции. Из цилиндра, наполненного полидисперсной суспензией, отсасывают или сливают жидкость высотой H от поверхности. В слое слитой жидкости находятся частицы, размер которых меньше критического, т. е. размера частиц, оседавших со скоростью v>H/t.

Очевидно, что оставшаяся жидкость содержит грубодисперсные частицы, оседающие со скоростью v > H/t, и некоторую часть более мелких частиц, осевших одновременно с грубыми частицами из ближайших к уровню H слоев. Путем многократных размучиваний удается выделить отдельные фракции, но эта работа, учитывая необходимость обезвоживания, сушки и взвешивания порошка из каждой пробы, является очень громоздкой и к тому же недостаточно точной.

Большее распространение получили методы отмучивания в восходящем потоке жидкости или газа. Меняя скорость встречного потока, можно добиться разделения частиц по фракциям. Низший предел размера частиц в случае применения газа составляет около 5 мк, а для жидкостей — 2 мк. В США широкое применение получил прибор Роллера для воздушной сепарации порошков. Однако результаты определения дисперсности методом воздушной сепарации не всегда хорошо согласуются с данными других способов определения гранулометрического состава.

К методам отмучивания примыкает пипеточный метод, состоящий в отборе с определенной глубины пробы из оседающей суспензии. На рис. 42 показан пипеточный прибор Андреазена, представляющий собой сосуд объемом 20 мл с делениями. Пипетка, через которую берутся пробы, впаяна в пробку, вставленную на шлифе в шейку сосуда. Пробы берутся через определенные промежутки времени с глубины 20 см и сливаются в фарфоровую чашку для выпаривания. Определяя вес сухого осадка, можно построить кривую оседания, а по ней рассчитать кривую распределения.

Пипеточный метод седиментационного анализа прост и доступен, он позволяет работать с малыми концентрациями дисперсной фазы (-0,5 вес.%). Недостатки этого метода связаны с необходимостью определения сухого вещества в пробе путем фильтрования, сушки и взвешивания. Кроме того, при отборе пробы с высоты H в отверстие пипетки засасываются частицы не из слоя AH, а из сферы некоторого радиуса R, в которой содержатся частицы со скоростями оседания v меньше H/t и v больше H/t.

Несмотря на эти недостатки, пипеточные методы исследования дисперсности применяются довольно часто.

Концентрация оседающей суспензии может определяться и оптическим путем по интенсивности рассеянного света. Обычно используются визуальные либо фотоэлектрические турбидометры (приборы для определения интенсивности рассеянного в суспензиях света).

Оптические методы седиментацинного анализа максимально экономны и автоматизированы. Они основаны на законе Бугера—Ламберта—Бера, который связывает интенсивности падающего и проникающего света по формуле I0/It = e~xcl, где I0 — итенсивность пучка света, проникающего через слой суспензии толщиной l; It — интенсивность падающего света; с — концентрация, или количество частиц; н — величина, пропорциональная удельной поверхности частиц и зависящая также от природы и состояния вещества и от частоты колебаний света.

Оптические методы контроля дисперсности могут быть с успехом использованы только для качественных сравнительных определений. Обычно рекомендуют сравнивать различные по величине частиц порошки одного происхождения (т. е. имеющие примерно одинаковую форму частиц). В ряде случаев технологического контроля такие определения являются вполне исчерпывающими. Схема конструкции одного из фотоседиментаторов приведена на рис. 43. Принцип действия этого прибора состоит в автоматическом уравновешивании мостовой схемы сравнения токов, возникающих в фотоэлементах х и у, в один из которых х пучок света попадает после прохождения кюветы с исследуемой суспензией F. Оседание частиц в суспензии вызывает изменение интенсивности проходящего света, поэтому мост постоянно разбалансировывается. Ток разбалансировки, усиленный электронным устройством, перемещает движок реохорда N, который связан с пером. Таким образом, на шкале M автоматически записывается кривая, которая после расшифровки дает сведения о распределении частиц по размерам.

Следует остановиться на некоторых условиях успешного использования седиментационных методов. В основе седиментации лежит уравнение Стокса, которое применимо только к сферическим частицам с гладкой поверхностью. В случае реальных порошков с произвольной формой частиц вводится понятие «эквивалентных» размеров, т. е. данная частица предполагается эквивалентной некоторой сферической частице из того же материала, которая оседает с равной скоростью. Многочисленные эксперименты и расчеты показали, что небольшие отклонения (l/d < 2/3)от шарообразной формы не оказывают существенного влияния на величину эквивалентного радиуса.

Условиями применения закона Стокса к реальным дисперсным системам являются также постоянная скорость оседания частиц; их достаточно большой размер по сравнению с молекулами дисперсной среды; отсутствие влияния стенок и дна сосуда; устойчивость дисперсионной среды; ламинарное движение частиц (число Рейнольдса должно быть при этом меньше 0,02) и некоторые другие. Из описанных седиментационных методов наиболее часто применяются весовые и пипеточные методы, а также воздушная сепарация и фотоседиментация. В качестве дисперсионных сред используется вода и органические жидкости (этиловый спирт, эфир, бензол, толуол, ацетон и др.).

При выборе дисперсионной среды следует учитывать диэлектрическую постоянную жидкости е, особенно для случая изучения порошков, склонных к агрегации. При применении воды и этилового спирта (е больше 2,5), в которых электростатическое притяжение значительно ослаблено, определяемый при седиментации размер частиц получается наименьшим, по сравнению, например, с измерениями в гексане (е<2). Нижний предел размера частиц в седиментационном анализе равен 1 мк. В исследовательской практике для определения размера более тонких частиц применяются центрифуги и ультрацентрифуги. Кроме седиментационных и микроскопических методов исследования дисперсности тонких порошков, можно назвать еще рентгенографические методы, измерение удельной поверхности и применительно к ферромагнитным материалам измерение коэрцитивной силы. Однако эти методы дают усредненные значения размеров частиц, и поэтому их использование ограничено.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: