Основные свойства порошковых материалов

23.07.2019

Химический состав порошка определяется содержанием основного компонента, различных примесей и газов. Физические свойства порошка характеризуются формой и размером частиц, удельной поверхностью, пикнометрической плотностью.

К технологическим свойствам относятся насыпная масса (масса единицы объема сыпучего тела), текучесть порошка и его прессуемость. Для получения изделий нужного качества порошки должны обладать вполне определенными свойствами, устанавливаемыми ГОСТами и техническими условиями.

Химические свойства


Химический состав порошков определяют при помощи анализов в аналитических лабораториях. Согласно техническим условиям, порошки должны быть достаточно чистыми с содержанием не менее 98—99% основного компонента. Общее количество примесей и загрязнений не должно превышать 2%.

Примеси в порошках могут быть в виде твердых растворов или химических соединений, входящих в структуру металла, а механические загрязнения — в виде окислов и частиц от дробильных и размольных агрегатов, износа размалывающих тел и футеровки.

Окислы ухудшают прессуемость порошков, вызывают повышенный износ прессформ. Чтобы уменьшить содержание окислов, порошки нагревают до 800—1050° С в атмосфере водорода и выдерживают при этой температуре в течение некоторого времени.

Все порошки содержат значительное количество газов. Так, например, в одном килограмме электролитического железного порошка может содержаться 8—10 л газа.

Присутствие газа затрудняет прессование; интенсивное выделение газов при спекании из спрессованных изделий может привести к значительному короблению и даже разрушению деталей. Содержание газа в порошках определяют методами нагрева и плавления металла в вакууме. Это очень сложный и длительный процесс и применяют его только для исследовательских целей.

К химическим свойствам порошков относится также пирофирность, т. е. способность самовозгораться при соприкосновении с воздухом. Пирофирность зависит от химической природы материала, степени дисперсности, формы частиц порошка и состояния их поверхности.

Так, порошки меди, свинца, вольфрама не обладают пирофирностью, а мельчайшие порошки железа и кобальта легко возгораются при соприкосновении с воздухом.

Другая химическая особенность — токсичность (ядовитость) некоторых порошков. Например, тонкий порошок никеля, попадая в организм человека, вызывает резкие болезненные изменения крови. Поэтому при использовании металлических порошков надо обеспечивать безопасность работы.

Физические свойства


Форма частиц порошка зависит от метода его получения. При карбонильном методе порошки состоят из частиц округлой (сферической) формы.

При восстановлении металлов из окислов порошки отличаются губчатым строением. Для порошков, полученных размолом в вихревых мельницах, характерна чешуйчатая форма частиц. Осколочная форма характерна для порошков после размола в шаровых мельницах. Волокнистые и лепестковые порошки получаются при плющении.

Форма частиц оказывает большое влияние на технологические свойства порошков: насыпную массу, текучесть, прессуемость, а также на прочность, плотность и другие свойства. Например, порошки со сферическими частицами обладают самой большой насыпной массой, но прессовать их плохо, спрессованные заготовки непрочные и легко рассыпаются. Лучше прессуются порошки с частицами осколочной формы.

Размер частиц и распределение их по классам крупности


Размер частиц и распределение их по классам крупности являются важнейшими характеристиками порошка. От размера частиц зависят насыпная масса, удельное давление при прессовании, усадка прессовок при спекании и механические свойства готовых изделий. Очень большое значение имеет также распределение частиц по классам крупности, т. е. определенное соотношение крупных и мелких частиц.

Размер частиц в одной партии порошка может отличаться в пятьсот раз и более. Желательно, чтобы в шихте, подлежащей прессованию и дальнейшему спеканию спрессованного изделия, набор частиц по крупности был оптимальным.

Пока нет четких рекомендаций по оптимальным размерам частиц и лучшим соотношениям между ними, так как эти рекомендации зависят от многих факторов и прежде всего от назначения изделия. Наиболее выгодные составы порошков по крупности определяются опытным путем.

В зависимости от размера частиц порошки классифицируются следующим образом: ультратонкие с размером частиц менее 0,5 мкм; весьма тонкие — от 0,5 до 10 мкм; тонкие — от 10 до 40 мкм; средней тонкости — от 40 до 150 мкм; крупные (грубые) — от 150 до 500 мкм.

Для определения процентного содержания в порошке частиц различной крупности применяют ситовый или микроскопический анализ.

Ситовый анализ заключается в просеве порошка через набор сит с квадратными ячейками различного размера. Сита устанавливают одно над другим в порядке уменьшения размеров ячеек. На верхнее сито насыпают навеску порошка в количестве 100 г и все сита встряхивают чаще всего при помощи какого-нибудь механического устройства в течение 15—20 мин. По окончании рассева остаток на каждом сите и на обечайке (поддоне), которой заканчивается набор сит, взвешивают и выражают в процентах по отношению к общей массе пробы.

Результаты ситового анализа представляют в виде таблиц или графиков. Для обозначения фракции порошков, задержавшихся между двумя соседними ситами, введена специальная запись. Так, например, если верхнее сито имеет номер сетки 0125, а за ним идет сито с номером 0080, то фракция порошка, прошедшая через сито 0125, но оставшаяся на сите 0080, обозначается -0125 +0080 (фракция минус 0125 плюс 0080).

В табл. 5 указаны характеристики сит, применяемых для ситового анализа порошков в России, США и Англии.

Ситовый анализ отличается большой простотой и высокой производительностью, поэтому его широко применяют для определения крупности частиц порошка с размерами более 40 мкм. Использование ситового анализа для частиц с размерами менее 40 мкм затруднительно, так как очень трудно изготовить сита с ячейками менее 40 мкм. Правда, в последние годы в США появились прецизионные сита «микромеш» и «микроплат», позволяющие расширить диапазон применимости ситового анализа до 5 мкм.

Однако они пока не получили широкого применения, поэтому для измерения частиц тонких порошков используют микроскопический анализ. Метод микроскопического анализа заключается в приготовлении препарата из исследуемого порошка и изучении его под микроскопом в проходящем или отраженном свете. Для определения размера частиц в микроскопе устанавливают окуляр со шкалой. Зная цену деления окуляр-микрометра, измеряют частицы и подсчитывают процентное содержание их в пробе.

Кроме микроскопического анализа, для измерения размера частиц тонких порошков можно применять седиментационный метод, основанный на различии в скорости осаждения частиц разного размера в жидкости. Обычно микроскопический и седиментационный методы применяют только в исследовательской практике при проведении научных работ.

Удельная поверхность частиц


Удельной поверхностью порошка считают поверхность всех частиц порошка в единице объема или массы. Величина удельной поверхности зависит от формы и размера частиц и может достигать нескольких квадратных метров на 1 г порошка. Величину удельной поверхности определяют методом адсорбции (поглощения) красителей, паров метилового спирта или азота и измерением газопроницаемости.

Основой метода измерения газопроницаемости является определение сопротивления, которое оказывает порошок протекающему газу.

Исследуемый порошок (рис. 7) помещают в кювету 14. Из системы откачивают воздух до вакуума (5—8)*10в-3 мм рт. ст. Затем краны 4,5 и 10 закрывают. После прекращения откачки открывают кран 3 и воздух из сосуда 2 под давлением 0,1—10 мм рт. ст. поступает в систему и просачивается через слой порошка. Одновременно с открытием крана 3 включают секундомер и фиксируют изменение давления под образцом в баллоне 12. В результате измерений строят график изменения давления в зависимости от времени просачивания (рис. 8)
Основные свойства порошковых материалов

Из графика определяют время запаздывания L. Затем вычисляют удельную поверхность S по формуле

где m — молекулярная масса воздуха;

R — универсальная газовая постоянная;

0 — пористость порошка, доли единицы;

AX — высота слоя порошка в кювете, см;

T — температура опыта, °К.

Определение адсорбции порошков


Этот метод основан на измерении количества адсорбированного порошком пара метанола. Величина адсорбции метанола изменяется в зависимости от условий получения порошков, что делает этот метод удобным для контроля правильности режимов изготовления порошков.

Пикнометрическая плотность


Плотность частичек порошка, как правило, меньше плотности материала, из которого сделан порошок. Это объясняется тем, что частички порошка имеют внутренние поры и загрязнения в виде окислов. Плотность частичек порошка определяют на приборе, называемом пикнометром. Пикнометр представляет собой мерный сосуд с определенным объемом (10, 25, 50 мл).

Перед измерением пикнометрической плотности пробу порошка и пикнометр тщательно высушивают, затем взвешивают пикнометр, заполняют его на две трети порошком и снова взвешивают. После этого оставшийся объем в пикнометре заполняют пикнометрической жидкостью. Пикнометр с жидкостью и порошком взвешивают в третий раз, Пикнометрическую плотность рассчитывают по формуле

где F1 — масса пикнометра, г;

F2 — масса пикнометра с порошком, г;

F3 — масса пикнометра с жидкостью, г;

V — объем пикнометра, см3;

уж — плотность пикнометрической жидкости, г/см3.

На точность измерений ук большое влияние оказывает пикнометрическая жидкость. Надо выбирать жидкость, которая хорошо смачивает металлы, но не растворяет их. Пикнометрическая жидкость должна обладать стабильной плотностью и минимальными значениями упругости паров, вязкостью, малым поверхностным натяжением, небольшим размером молекул. Наилучшая пикнометрическая жидкость — бензиловый спирт.

Технологические свойства порошков


Важнейшие технологические свойства — насыпная масса, текучесть и прессуемость.

Насыпная масса порошка унас представляет собой массу единицы объема свободно насыпанного порошка. Насыпную массу определяют при помощи волюмометра (рис. 9).

Порошок засыпают в волюмометр через воронку, конусная часть которой имеет угол 60° и заканчивается цилиндрическим хвостовиком длиной 2 см с внутренним диаметром 4 мм.

Из воронки, пройдя через сетку с ячейками 0,2—0,3 мм, частицы порошка скатываются по стеклянным полочкам и попадают в мерный стаканчик.

Мерку заполняют порошком с некоторым избытком, который снимают до уровня стенок стеклянной пластинкой. Затем мерку с порошком взвешивают с точностью до 0,01 г. Определяют массу порошка в мерке, вычисляют насыпную массу порошка по формуле

где M1 — масса мерки, г;

M2 — масса мерки с порошком, г;

V — объем мерки, см3.

Определение насыпной массы повторяют 3—4 раза и берут среднее значение. Иногда для практических целей необходимо знать насыпной объем порошка, который обозначается Vнас и определяется из выражения Vнас = 1/унас. Насыпная масса порошка характеризует его прессуемость. Чем больше насыпная масса, тем лучше прессуемость порошка, меньше его пористость. Пористость порошков характеризует долю объема, занимаемого порами. Пористость обозначают через П и выражают в процентах:

где Vпор — объем, занимаемый порами.

Текучесть порошков характеризует скорость прохождения их через отверстие заданного диаметра. Текучесть — очень важный технологический показатель порошка. Чем больше текучесть, тем легче и быстрее заполнение прессформы порошком, равномернее распределение плотности при прессовании, больше производительность прессования. Текучесть зависит от плотности, удельного веса металла, размеров и формы частиц. Обычно чем меньше частицы, тем хуже их текучесть. Если форма частиц неправильная с рваными краями и зазубринами, текучесть затрудняется. Резко затрудняет текучесть порошков влага, адсорбированная на поверхности частиц.

Текучесть порошка определяют на приборе, схема которого показана на рис. 10. Навеску порошка (50—100 г) высыпают в воронку, выходная часть которой снабжена цилиндрическим носиком с внутренним диаметром 4 мм.

Перед засыпкой порошка выходное отверстие закрывают заглушкой. Снизу устанавливают мерный сосуд. Для измерения текучести d фиксируют время заполнения сосуда t.

Текучесть порошка равна

где M — насыпная масса порошка в мерном сосуде, кг.

Очень важной технологической характеристикой является прессуемость порошков, т. е. способность порошков приобретать под действием внешних усилий форму и размеры, соответствующие внутренней поверхности прессформ.

Оценкой прессуемости может служить минимальное давление прессования, которое необходимо для получения брикета, способного сохранять свою форму после извлечения его из прессформы. Прессуемость порошка включает в себя два понятия: уплотняемость и формуемость.

Уплотняемость определяют построением диаграмм плотности брикетов в зависимости от давления прессования. Формуемость порошков оценивают по отношению прочности образцов на сжатие к удельному давлению при прессовании

где Ф — показатель формуемости;

осж — прочность на сжатие, кГ/мм2,

Руд — удельное давление прессования, кГ/мм2.

Прессуемость порошков в значительной степени зависит от формы и размера частиц, комбинации набора частиц. Мелкозернистые порошки, как правило, уплотняются плохо, но прочность прессовок оказывается более высокой, чем прочность прессовок, изготовленных из крупнозернистого порошка того же металла.

Порошки, составленные из разных по величине частиц, обладают обычно большой насыпной массой и дают максимальную прочность прессовок. Оптимальное соотношение между крупными и мелкими частицами подбирают опытным путем.

Прессуемость зависит также и от твердости частиц порошка. Чем тверже частицы порошка, тем больше требуется удельное давление прессования. Поэтому порошки твердых металлов перед прессованием отжигают.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна