книги из ГПНТБ / Паничкина, В. В. Методы контроля дисперсности и удельной поверхности металлических порошков

.В.П АН И ЧКИ Н А , И .В .У В Д .

у

АКАДЕМИЯ'НАУК УКРАИНСКОЙ ССР'

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

В.В. ПАНИЧКИНА , И.В. УВАРОВА

Методы контроля дисперсности и удельной поверхности металлических порошков

ИЗДАТЕЛЬСТВО .НАУКОВА ДУМКА» КИЕВ-1973

В книге освещены методы исследования характеристик, во многом определяющих технологические свойства металлических по­ рошков- и изделий, полученных из них, в частности гранулометри­ ческого состава, удельной поверхности и некоторых технологичес­ ких свойств. Показаны особенности применения этих методов при анализе; даны практические рекомендации по проведению анализов; приведены необходимые справочные данные.

Предназначена для работников исследовательских институтов и технологов, занятых в области порошковой металлургии.

Редакция химической литературы Зав. редакцией Л.П.Бугровая

" К

3 1 0 4 - 3 5 6

108-73

М 2 2 1 ( 0 4 ) - 7 3

С ) Издательство Наукоьа дукыа", 1973 г-

♦

»

П р е д и с л о в и е

Развитие порошковой металлургии в последние годы характе­ ризуется не только расширением областей применения металлоке­ рамических изделий, но и повышением требований к их качеству.

Получение качественных изделий невозможно без контроля всех этапов технологического процесса и в первою очередь контроля свойств исходного сырья - металлических порошков.

Любой металлический порошок как совокупность большого чи- . ела малых частиц, кроме химического состава обладает целым ря­ дом свойств, которые не зависят от природы металла самих частиц^ гранулометрический состав порошка, удельная поверхность и форма частиц. Эти свойства влияют на прессуемость и спѳк'аемость по­ рошка, его адсорбционную и каталитическую способность, электрохи­ мическую активность, коррозионную устойчивость и т.д. Знание раз­ меров частиц и удельной поверхности наряду с химическим -соста­ вом необходимо для успешного решения проблемы получения мате­ риалов с заданными свойствами,

Современный уровень развития всех отраслей порошковой ме­ таллургии требует более квалифицированного подхода к оценке ка­ чества выпускаемых порошков. Существование в настоящее время хорошо разработанных физико-химических методов анализа диспер­ сности и удельной поверхности порошковых материалов с широким диапазоном размеров частиц, от :амых малых (пылей, сорбентов катализаторов) до гранул (500 мк), требует внедрения их' в прак­ тику порошковой металлургии, где часто пользуются весьма гру­ быми и подчас даже неправильно выбранными методиками,-

Выданной книге сделана попытка на основании имеющегося экспериментального материала рассмотреть различные известные методы анализа дисперсности и удельной поверхности применитель­ но к металлическим порошкам. Авторы настоящей книги не пред­ лагают каких-либо оригинальных, не описанных ранее в литературе

3

СЕДИМЕНТАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ

1. Общие положения

Зависимость между скоростью оседания частиц в. вязкой среде

иих размерами выражается уравнениями,-«■выведенными теоретически

иподтвержденными экспериментально. Эти зависимости могут быть использованы для нахождения функции распределения частиц по раз­ мерам в полидисперсных системах. Оседайие может протекать в жидкости или в газовой среде либо под действием сипы тяжести, либо, если анализ проводят в центробежном поле, под действием

значение имеет формула Стокса, выведенная из закона Стокса /17» Она выражает зависимость между скоростью оседания микроскопи­

29(/°гб ~ / V '

Формула Стокса применима в сплошных и безграничных сре­ дах, а также при условии, что каждая частица оседает независимо от других, Практически это означает, что она справедлива для сильно разбавленных суспензий или газовых взвесей, в которых размеры частиц велики по сравнению с размерами молекул среды и длинами свободного пробега молекул.

5

В начальный момент оседания частица движется с некоторым ускорением, зависящим от ее плотности и вязкости среды. Одновременно с возрастанием скорости движения увеличивается сила соп­ ротивления среды, ускорение уменьшается до нуля, и частица начи­ нает двигаться равномерно. Сила сопротивления среды зависит от режима обтекания частиц, который характеризуется числом Рейноль-

Зависимость силы сопротивления среды от чисел Рейнольдса выражается диаграммой Реллея [ \ ] , ■ Оказалось, что закон Стокса справедлив в области чисел Рейнольдса, меньших 0,2. При прове­ дении оседания в спокойной жидкости значения Ле редко могут быть использованы, они применяются при расчете скоростей оседания час­ тиц в процессах отмучивания 'и обогащения в текущей струе.

Седиментационный анализ в поле силы тяжести может быть вы­ полнен двояко; определением скорости накопления осадка при сов­ местном оседании частиц во взмученной жидкости и разделением частиц на фракции в спокойной жидкости. Чаще всего пользуются

нения в суспензии. Это значит, что размер 50 мк - практически верхний предел седименташюныого анализе. Для веществ с боль­ шей плотностью, а к ним относятся все металлические порошки, верхний предел размеров будет еще меньше. Например, частицы порошка врльфрама размером 20 мк оседают с высоты 25 см за 0,8 мин, а порошка молибдена за 1,7 мин, т.е. верхняя граница

применимости седиментапионного анализа для 5тих порошков ограни­ чена размерами 20 мк при вязкости жидкости, около 0,01 пЗ.

Формула Стокса неприменима для крупных частиц еще и потому, что она не учитывает силы инерции среды, величина которой воз­ растает параллельно увеличению скорости движения частиц и их размеров. Озееном /27 был введен в формулу Стокса допол­ нительный член, учитывающий динамическое сопротивление жидкос­ ти. В этом случае t' определяют по формуле

6

Уравнение Озеена используют только при достаточно больших скоростях движения частиц. При малых скоростях величина V2 пре­ небрежимо мала по сравнению с величиной W , входящей в уравне­ ние (1,4).

Нижняя граница применимости седиментационного анйлиза опре­ деляется с учетом броуновского движения частиц, которое при высо­ кой дисперсности порошка становится настолько интенсивным, что обус­ ловленная им скорость диффузии оказывается соизмеримой со скоро­

Если частица велика по сравнению с молекулами дисперсионной среды и шарообразна, то

3?

Сопоставляя (1,7) и (1.8), можно оценить размеры частий, ко­ торые не оседают в поле тяготения. Для веществ с плотностью око­ ло 2,5 г/см'* они будут, равны сотым долям микрона. Однако прак­ тически нижняя граница размеров частиц лежит значительно выше этих величин и согласуется с требованием общего времени анализа (2-4ч). Этому обычно удовлетворяют порошки крупнее 0,5 мк.

Таким образом, седиментапионный анализ порошков в вязкой спокойной жидкости может быть проведен практически в пределах размеров частиц от 100 до 0,5 мк, причем для порошков тяжелых веществ верхняя граница понижается до 50-20 мк, Следует учиты­ вать, что фракцию меньше 0,5 мк находят суммарно, а количество частиц более 100(50)мк отделяют заранее и определяют предвари­ тельно.

При проведении оседания частиц не в жидкости, а в газе, вво дится поправка Кеннингема-Милликена, учитывающая соотношение между размерами частиц и длиной свободного пробега молекул газа /37, Формула Стокса с такой поправкой имеет вид

личина для комнатной температуры и атмосферного давления равна 0 ,7 -0 ,9 -1 0 -^ ); А - константа, равная для воздуха 0,86, получен­ ная при оседании масляных капель в воздухе.

Поправка Кеннингема-Милликена учитывает проскальзывание

Поправка Кеннингема-Милликена при различных степенях дисперсности Z37

Размеры Дополнительный ■Уменьшение величины частиц, член Кеннингечастицы, вычисленной мк ма по Стоксу, поправкой

Кеннингема, %

8

Закон Стокса выведен из предположения о шарообразной форме частиц. Форма реальных порошинок обычно далека от шарообразной, но это не исключает применения закона Стокса к суспензиям таких

*порошков. При этом пользуются следующим допущением. В любом случае вместо реальной порошинки, оседающей с определенной ско­ ростью, можно вообразить сферическую из такого же материала и оседающую с той же скоростью. Диаметр такой сферы называют эквивалентным, или стоксовским, что оговаривают при анализе. Опыт показывает, что небольшие отклонения от шарообразности не оказывают влияния на значения эквивалентного диаметра. Заметная

разница в величинах реальной и эквивалентной частиц возникает при сильной асимметрии последних, - в случае их пластинчатой или иголь­ чатой формы. Несоответствие реального среднего диаметра части- \ цы и эквивалентного диаметра может быть учтено коэффициентом формы

Ѳ .