Ћекции.ќрг


ѕоиск:




 атегории:

јстрономи€
Ѕиологи€
√еографи€
ƒругие €зыки
»нтернет
»нформатика
»стори€
 ультура
Ћитература
Ћогика
ћатематика
ћедицина
ћеханика
ќхрана труда
ѕедагогика
ѕолитика
ѕраво
ѕсихологи€
–елиги€
–иторика
—оциологи€
—порт
—троительство
“ехнологи€
“ранспорт
‘изика
‘илософи€
‘инансы
’ими€
Ёкологи€
Ёкономика
Ёлектроника

 

 

 

 


“емпература плавлени€ и микротвердость некоторых карбидов, боридов и силицидов




ћеталл “емпература плавлени€, ºC ћикротвердость, ћѕа
металла борида карбида нитрида борида карбида нитрида
Ti              
V              
Zr              
Nb              
Mo       Ц     Ц
W       Ц     Ц

 

1.10.2. —амораспростран€ющийс€ высокотемпературный

синтез

—амораспростран€ющийс€ высокотемпературный синтез (—¬—) основан на €влении распространени€ фронта горени€ в порошках некоторых химических элементов, в результате сильной экзотермичности при взаимодействии этих элементов с бором, углеродом, азотом, кремнием и другими металлоидами. ќбобщенна€ химическа€ схема процесса может быть представлена следующим образом:

 

Σai Xi + ΣbiYi = Z + Q, (1.27)

 

где ’ Ц Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W и другие металлы; Y Ц B, C, N, Si, и другие элементы; Z Ц бориды, карбиды, нитриды, силициды и другие соединени€ металлов, а также твердые растворы или интерметаллиды; Q Ц тепловой эффект. Ёлементы Ђ’ї обычно примен€ют в виде порошков, ЂYї ‑ в порошкообразном, газообразном или жидком состо€ни€х. ѕолучаемый продукт ЂZї €вл€етс€ тугоплавким соединением и обычно находитс€ в твердом состо€нии. ¬ зависимости от ведущей реакции горени€ и агрегатного состо€ни€ реагентов все —¬— ‑ системы дел€т на четыре класса: безгазовые, фильтрационные, газовыдел€ющие и металлотермические.

¬ безгазовыхсистемах исходные компоненты, промежуточные и конечные продукты наход€тс€ в твердом или жидком состо€ни€х. ¬озможно незначительное газовыделение, вызванное очисткой от примесей. —интез провод€т в вакууме или в инертном газе. —остав продуктов горени€ практически не зависит от атмосферы процесса.

‘ильтрационный синтез протекает в гибридной системе металл-газ, при этом состав продуктов горени€, а также параметры процесса сильно завис€т от давлени€ и состава газовой фазы. Ќа доставку (фильтрацию) газа в зону горени€ существенно вли€ют габариты и пористость сбрикетированного металлического порошка.

√азовыдел€ющими €вл€ютс€ системы с легколетучими компонентами Ц серой, селеном, фосфором и сжиженным газом (жидким азотом). ¬ этом случае синтез провод€т в герметичных емкост€х, полностью заполненных исходными твердыми компонентами дл€ того, чтобы при испарении образующийс€ газ не покидал реакционный объем, а оставалс€ в порах.

ћеталлотермические системы характерны тем, что горение имеет две принципиально различные химические стадии: восстановление оксидов и последующее взаимодействие продуктов восстановлени€ между собой и со специальными добавками, вводимыми в шихту. ¬осстановител€ми в этих системах могут быть магний или алюминий.

—хема —¬— процесса показана на рис. 1.16.

 

 

 

–ис. 1.16. —хема —¬— Ц технологии получени€ порошка

 

—интез проводитс€ в реакторе (рис. 1.17). –еакционна€ зона реактора имеет обычно объем от 1 до 30 л. ¬нутреннее устройство реактора зависит от типа синтезируемого продукта. ѕри синтезе карбидов, боридов или силицидов внутреннюю поверхность реактора футеруют графитом. ѕри синтезе нитридов и гидридов реактор оснащают специальным устройством дл€ подачи реагирующего газа в зону реакции. ѕосле загрузки шихты реактор закрывают и, в зависимости от специфики процесса, вакуумируют, или заполн€ют инертным газом. »нициирование начала процесса осуществл€ют с пульта управлени€ подачей кратковременного электрического импульса на вольфрамовую спираль, касающуюс€ исходной шихты. ¬ начале синтеза возникает €ркое свечение фронта горени€, поскольку температура процесса составл€ет, в зависимости от системы, 1500-4000 ºC. —вет€ща€с€ зона распростран€етс€ вглубь шихты со скоростью 0,005 Ц 0,15 м/c.

 

 

–ис. 1.17. —хема —¬— - реактора: 1 Ц корпус; 2 Ц графитова€

футеровка; 3 Ц реакционна€ шихта; 4 Ц грибковый затвор;

5 Ц газораспределительный узел

 

—тепень превращени€ исходных продуктов при —¬— зависит от термодинамических и кинетических ограничений. »змен€€ дисперсность реагентов, размер и плотность порошкового тела, теплоотдачу с поверхности и температуру горени€, можно в широких пределах регулировать процесс —¬—. ¬ результате получают однофазные соединени€ с уровнем чистоты не ниже чистоты исходных реагентов. ¬ысокое качество получаемых продуктов, простота аппаратурного оформлени€, высокие скорости синтеза, минимальные энергозатраты обеспечивают расширение промышленного применени€ —¬—.

1.10.3. «оль-гель процесс

¬ основе этого процесса лежит образование гидрооксидов металлов при химическом превращении высокодисперсных систем Ц золей в рыхлые аморфные структуры Ц гели. «оли представл€ют собой системы, в которых частицы высокодисперсной твердой фазы участвуют в броуновском движении и, благодар€ этому, наход€тс€ во взвешенном состо€нии. –азличают гидрозоли, органозоли и аэрозоли, у которых дисперсионна€ среда соответственно вода, органическа€ жидкость или газ. «оли способны коагулировать, т. е. образовывать крупные агрегаты частиц в виде структурированных систем, например гелей.  оагул€ци€ происходит при удалении лишней воды из системы, что достигаетс€ повышением температуры, воздействием электромагнитных полей, жестких излучений, механическими или химическими воздействи€ми.

ѕроцессы в водных средах происход€т в такой последовательности: гидролиз → полимеризаци€ → нуклеаци€ → рост. ѕроцесс нуклеации представл€ет собой образование статистических зародышей критического размера.

«оль-гель процессы раздел€ют на коллоидные и полимеризационные. ¬ коллоидных системах образование гелей происходит в растворах, содержащих золь одного или более компонентов. ѕолимеризационный процесс формирует непрерывную полимерную структуру гел€, который может содержать катионы различной природы. –азмер и распределение частиц порошка завис€т от процессов нуклеации и последующего их роста. ƒл€ достижени€ монодисперсности порошков необходимо регулировать концентрации исходных компонентов и растворител€ на стадии нуклеации. »зменением концентрации раствора, можно регулировать форму частиц синтезируемого порошка.

«оль-гель процессом изготавливают порошки оксидов титана, циркони€, гафни€, вольфрама, алюмини€ и других металлов. Ёти порошки обладают высокой степенью дисперсности, соответственно большой удельной поверхностью и активны при спекании. «оль-гель процесс позвол€ет получать и нанопорошки.

 

1.11. –аспыление металлических расплавов

ѕромышленное производство распыленных порошков началось в середине прошлого века. ”же в 1959 г. в —Ўј и  анаде объем производства железных порошков составил 6 тыс.т., в ‘–√ 2,2 тыс.т. и в јнглии 0,5 тыс.т. ¬ насто€щее врем€ в мире производитс€ около 500 тыс.т. распыленных металлических порошков.  роме порошков железа, различными способами распылени€ производ€т порошки алюмини€, меди, свинца, цинка, титана, циркони€, молибдена, вольфрама, а также сплавов на основе перечисленных и других металлов. ¬ажно подчеркнуть, что технологии распылени€ особенно эффективны при получении порошков высоколегированных и многокомпонентных сплавов, поскольку обеспечивают высокую степень однородности химического состава и дисперсное строение литого металла. ћетоды распылени€ различаютс€ по виду источников нагрева металла (индукционный, электродуговой, электронный, лазерный, плазменный и др.), по типу силового воздействи€ на распыл€емый расплав (энерги€ потоков газа, жидкости, механическое воздействие центробежных сил и др.), а также по типу среды, в которой протекает процесс распылени€ (восстановительна€, окислительна€, инертна€, вакуум).

 

1.11.1. –азрушение струи жидкости

∆идкое состо€ние, €вл€€сь промежуточным между твердым и газообразным состо€ни€ми, обладает отдельными свойствами, как твердых тел, так и газов. ∆идкости изотропны и текучи как газы, но их плотность, сжимаемость и теплоемкость близки к аналогичным свойствам твердых тел.  ак и твердые тела, жидкости занимают в пространстве определенный объем. ƒетальное обоснование близости жидкостей и твердых тел вблизи температуры затвердевани€ было впервые проведено я.». ‘ренкелем. ќпира€сь на представление о квазикристаллическом строении жидкостей, он получил качественное описание теплового движени€ атомов и молекул в жидкост€х и на основе решеточной модели объ€снил диффузию и в€зкость жидкостей, процессы плавлени€ и кристаллизации. —труктура жидкости в решеточной модели рассматриваетс€ как сильно искаженна€, расшатанна€ и неупор€доченна€ структура твердого тела с разрывами (дырками) между атомами. “акие разрывы мгновенно возникают и мгновенно залечиваютс€, но они всегда, в любой момент времени, существуют в объеме жидкости. —умма всех разрывов создает дополнительный объем жидкости по отношению к объему твердого тела.

Ќаиболее важными свойствами металлических расплавов, во многом определ€ющими процесс их распылени€, €вл€ютс€ в€зкость и поверхностное нат€жение. ¬€зкостью называют свойство жидкости, характеризующее сопротивление сдвигу. ¬€зкость жидкости или обратное ей свойство текучести обусловлена наличием дополнительного объема у жидкости по отношению к объему твердого тела. «ависимость в€зкости жидкости от ее свободного объема описываетс€ простой эмпирической формулой

 

= ¬/V-Vо, (1.28)

 

где ‑ коэффициент кинематической в€зкости; ¬ Ц константа, Vо Ц минимальный удельный объем жидкости, близкий к объему твердого тела; V Ц удельный объем реальной жидкости.

»ногда в€зкость жидкости характеризуют коэффициентом динамической в€зкости. ћежду коэффициентами кинематической и динамической в€зкости существует зависимость

 

= / ж, (1.29)

 

где Ц коэффициент динамической в€зкости; ж Ц плотность жидкости.

¬€зкость жидких металлов существенно зависит от температуры, с ростом температуры в€зкость уменьшаетс€.

ѕоверхностное нат€жение жидкости ‑ это работа образовани€ физической поверхности раздела фаз, отнесенна€ к единице поверхности. ƒл€ дисперсных систем, образующихс€ при распылении, поверхностна€ энерги€ может составить значительную часть молекул€рно-кинетической энергии вещества.

ѕроцесс диспергировани€ жидкости приводит к образованию множества новых поверхностей раздела, причем часть молекул из объема жидкости переходит в ее поверхностные слои с более высокой энергией. ѕри этом затрачиваетс€ работа на преодоление межмолекул€рных сил

 

Δј = σ ΔS, (1.30)

 

где σ ‑ свободна€ энерги€ единицы поверхности раздела или поверхностное нат€жение; S- вновь образовавша€с€ поверхность.

ѕри плавлении, распылении и охлаждении расплав взаимодействует с газами и жидкост€ми. —хема взаимодействи€ с газами включает в себ€ физическую адсорбцию газа на поверхность расплава, хемосорбцию газа в расплаве с образованием на поверхности расплава тонких пленок оксидов, нитридов и др. и диффузию атомов газа в глубь расплава с образованием химических соединений. Ќаиболее важными €вл€ютс€ процессы взаимодействи€ расплава с кислородом азотом и водородом. ѕри взаимодействии с кислородом на поверхности расплава мгновенно образуютс€ оксидные пленки с кристаллической или аморфной структурой. »нтенсивность взаимодействи€ зависит от химического состава расплава и газовой среды, а также от размера жидких капель, их реакционной поверхности. ѕри распылении расплавов, легированных титаном, алюминием, хромом, ванадием и другими химически активными элементами, которые создают трудно восстановимые оксиды, целесообразно примен€ть в качестве энергоносителей инертные газы, не содержащие кислорода.

јзот образует в расплавах нитриды, поэтому порошки металлов, в которых азот хорошо раствор€етс€ (железо, хром, ванадий, молибден, титан и др.) отличаютс€ повышенной твердостью и более низкой пластичностью.

¬одород образует гидриды с молибденом, титаном, цирконием, танталом, рением и некоторыми другими металлами. ѕри снижении температуры растворенный водород обычно выдел€етс€ из металла, что может приводить к образованию пористости распыленных порошков и изделий.

Ћюба€ стру€ жидкости, самопроизвольно вытекающа€ из сосуда, даже без видимого воздействи€ на нее внешней среды, испытывает действие малых возмущений, которые порождают пульсацию жидкости в струе. ѕричинами таких возмущений могут быть шероховатость стенок канала, через который течет стру€, искажение формы выходного отверсти€ и др. ћножество малых возмущений порождают в струе волновой характер перемещени€ жидкости с растущей амплитудой колебани€ волны, скорость роста которой имеет максимум. Ёта волна и образует будущую каплю, размер которой определитс€ длиной волны. ќптимальна€ длина волны (λопт) определ€етс€ радиусом сопла истечени€ жидкости (Rо)

 

λопт = 4,5 Rо. (1.31)

 

—хема распада струй, в зависимости от скорости их истечени€, показана на рис. 1.18. ѕри относительно малой скорости истечени€ струи (< 25 м/с), характер и степень деформации струи определ€ютс€ только осесимметричными колебани€ми, амплитуда которых возрастает по мере удалени€ от выходного отверсти€. –аспад струи сопровождаетс€ образованием однородных по размеру крупных капель. ѕри увеличении скорости истечени€ до 25 - 100 м/с возникают осенесимметричные колебани€, искривл€ющие струю, из-за повышенного вли€ни€ воздушной атмосферы. «она начала разрушени€ струи смещаетс€ ближе к выходному отверстию. ƒальнейшее повышение скорости истечени€ (> 100 м/с) приводит к возникновению режима объемного распылени€, причем зона разрушени€ сдвигаетс€ непосредственно к срезу сопла, образу€ факел из распыленных капель жидкости неоднородных по размеру.

–аспад струи жидкости газовым потоком представл€ет собой сложный физический процесс, в котором определ€ющую роль играют аэродинамические силы, величина которых зависит не только от скорости движени€ распыл€ющего газа, но и от его плотности. Ётим силам противосто€т силы поверхностного нат€жени€ и в€зкость расплава. –аспад струи расплава под воздействием газового потока описывают критериальным уравнением:

 

d/D = φ (WE, LP, M, N), (1.32)

 

где d Ц cредний диаметр капель расплава; D Ц диаметр струи расплава; WE Ц критерий ¬ебера, определ€ющий соотношение сил инерции и сил поверхностного нат€жени€; L Ц критерий Ћапласа, характеризующий соотношение сил в€зкости и поверхностного нат€жени€ расплава; ћ и N Ц критерии, характеризующие соответственно соотношение плотности газа (энергоносител€) и расплава и в€зкости газа и расплава. ”казанные критерии представл€ют собой: WE = Vг2 γг Do / σ; LP = ηж2 / (σγж Do); ћ = Vг2 γг / Vж2 γж); N = ηг / ηж, где Vг и Vж Ц cоответственно скорости газа и расплава; γг, γж Ц плотности газа и расплава соответственно; ηг, ηж ‑ в€зкости газа и расплава соответственно; σ Ц поверхностное нат€жение расплава; Dо Ц диаметр первоначальной пр€ди (крупной капли).

 

 

–ис. 1.18. —хема распада струй в зависимости от

скорости их истечени€ (W):

а ‑ W<25 м/c; б Ц W = 25-100 м/c; в ‑ W>100 м/c

 

 

ƒиспергирование струи начинаетс€ при некоторой критической (дл€ данной струи) скорости газового потока. »сследование процесса распылени€ с помощью высокоскоростной киносъемки позволило вы€вить три структурные зоны в очаге распылени€. ѕерва€ зона представл€ет собой сплошную, не распавшуюс€ часть струи после выхода ее из канала. ƒлина этой зоны колеблетс€ от 1 до 10 мм и зависит от удалени€ фокуса распылени€ от выходного среза сопла газовой форсунки. ¬тора€ зона соответствует началу разрушени€ струи, котора€ расслаиваетс€ в этой зоне на отдельные нити, пр€ди и крупные капли преимущественно цилиндрической формы. ѕрот€женность второй зоны, котора€ по существу €вл€етс€ первичной зоной дроблени€ струи, составл€ет 10 - 20 мм. ¬следствие большой разницы в относительных скорост€х перемещени€ газа и металла струи, газ-энергоноситель начинает проникать в массу металла, создава€ в ней объемы с высокими напр€жени€ми сжати€. ѕри выходе частично диспергированных объемов из зоны максимальных напр€жений сжати€, они как бы взрываютс€, образу€ поток дисперсных капель различного размера и формы. ѕроцесс вторичного дроблени€ пр€дей, нитей и крупных капель на частицы конечных размеров завершаетс€ в третьей зоне. ”словием дроблени€ €вл€етс€ превышение скоростного напора потока газа над силами поверхностного нат€жени€ в капле

 

γг Vг/2 > σ d. (1.33)

 

—редний размер частиц, образующихс€ в результате распылени€ струи расплава газовым потоком, оцениваетс€ эмпирической формулой:

 

dср = K(σ/γж)0,22жж)0,57 / Vг, (1.34)

 

где   ‑ константа, определ€ема€ геометрией сопла.

ќчевидно, что основными факторами, определ€ющими дисперсность порошка при газовом распылении, €вл€ютс€ энерги€ газового потока, в€зкость и поверхностное нат€жение расплава.

–асчеты, выполненные по формуле (1.34), показывают, что при распылении стали и значении исходных данных   = 600; σ = 1,83 Ќ/м; γж = 7000 кг/м3; η = 0,0054 ѕа·с; Vг = 100; 300; 400 м/c средний размер частиц составит d = 300; 100 и 70 мкм соответственно.

ѕо структуре зона распылени€, или как ее еще называют факел распылени€, представл€ет собой трехфазную непрерывно пульсирующую смесь газа и металла, наход€щегос€ в жидком и затвердевшем состо€ни€х. —корость перемещени€ капель расплава сначала резко возрастает, а затем, по мере удалени€ от фокуса распылени€, падает. ”скорение капель в газовом потоке зависит от их размера и уменьшаетс€ с увеличением размера. —корость газового потока по направлению от среза сопла непрерывно снижаетс€.

ѕроцесс распылени€ расплава водой отличаетс€ от газового распылени€, прежде всего, более высокой плотностью энергоносител€, (вода примерно в 1000 раз плотнее газа) и наличием большого количества паров воды в зоне распылени€. ¬ысока€ плотность воды позвол€ет обеспечить увеличение импульса движени€ и кинетической энергии, упрощает проблему диспергировани€ и создает возможность получени€ более мелких фракций порошка. ѕри контакте высокотемпературного расплава с водой происходит интенсивное парообразование как вокруг струи металла, так и вокруг каждой капли. ”же при температуре расплава 560 - 600∞— в зоне контакта воды с расплавом возникает режим пленочного кипени€, при котором происходит кипение локальных объемов воды на поверхности контакта при сохранении в основной массе воды исходного агрегатного состо€ни€. ќбразующийс€ перегретый и сжатый пар активно включаетс€ в процесс диспергировани€. “аким образом, процесс разрушени€ струи и диспергировани€ капель расплава происходит при комбинированном воздействии на расплав высокоэнергетических потоков воды и пара.

ѕри взаимодействии капель воды с расплавом, капли мгновенно превращаютс€ в пар и в зависимости от угла встречи с расплавом УвыбиваютФ из него капли жидкого металла различной формы. Ќаиболее эффективное диспергирование расплава реализуетс€ по механизму взрыва при соударении капель воды с капл€ми расплава.

–азмер образующихс€ частиц, при распылении расплава водой, определ€етс€ по зависимости

 

d = K1 lnP/V¬ sinα, (1.35)

 

где  1 ‑ константа, определ€ема€ свойствами расплава и конструкцией распылительных форсунок; – ‑ давление воды; Vв ‑ скорость потока воды; a ‑ угол атаки вод€ной струи.

 

 

1.11.2. —корость охлаждени€ расплава при распылении

¬ общем случае теплообмен расплава с окружающей средой осуществл€етс€ теплопроводностью, конвекцией и излучением. “еплопроводность и конвекци€ обычно объедин€ютс€ в пон€тие теплообмена соприкосновением. “акой вид теплообмена описываетс€ уравнением Ќьютона:

 

q = a(“п - “с), (1.36)

 

где q Ц удельный тепловой поток с поверхности расплава; a - коэффициент теплоотдачи; “п и “с Ц абсолютные температуры поверхности расплава и окружающей среды соответственно.

“еплообмен излучением описываетс€ уравнением —тефана-Ѕольцмана:

 

q = C0(“п/100)4, (1.37)

 

где —0 Ц коэффициент лучеиспускани€ абсолютно черного тела (—0=5,7 ¬т/м2 4).

ƒл€ реального серого тела, например, капли расплава, движущейс€ в вакуумной камере, уравнение дл€ удельного потока принимает вид:

 

q = e—0[(“п/100)4-(“с/100)4], (1.38)

 

где e - степень черноты реального тела; “с Ц абсолютна€ температура стенки вакуумной камеры.

¬ общем виде уравнение теплового баланса дл€ охлаждающейс€ капли расплава можно представить следующим образом:

 

dq=F{a(Tп-“с)+e—0[(“п/100)4-(“с/100)4]}dt=mcpdT, (1.39)

где FЦповерхность капли; m Ц масса капли, ср Ц удельна€ теплоемкость расплава; dt - врем€ охлаждени€ капли на величину dT.

ƒл€ сферической капли диаметром d скорость охлаждени€ составит:

dT/dt= {a(“п-“с)+e—0[(“п≠/100)4-(“с/100)4]}. (1.40)

¬ фигурных скобках формул (1.39) и (1.40) первое слагаемое характеризует долю теплового потока, отводимого от расплава теплопроводностью и конвекцией, а второе слагаемое Ц долю излучаемого тепла. ѕри распылении и затвердевании сплавов в вещественной среде (газ, жидкость) вклад лучистого теплообмена мал и им обычно пренебрегают.

—реднюю скорость охлаждени€ капель металлического расплава дл€ типичного случа€ распылени€ в вещественной среде можно представить в общем виде:

 

Vохл = , (1.41)

 

где k Ц константа дл€ данного расплава.

ќчевидно, что скорость охлаждени€ расплава будет тем выше, чем меньше капл€ расплава и больше коэффициент теплоотдачи с ее поверхности.

¬еличина коэффициента a обычно находитс€ по формулам общей теории теплообмена с использованием критериев подоби€. ¬ услови€х вынужденного движени€ газа или жидкости (вынужденна€ конвекци€) интенсивность теплообмена характеризуетс€ критерием Ќуссельта:

, (1.42)

где d Ц характерный размер тела, в данном случае размер капли расплава; lс Ц коэффициент теплопроводности окружающей среды.

¬ свою очередь критерий Ќуссельта €вл€етс€ функцией критериев –ейнольдса и ѕрандтл€:

 

. (1.43)

 

 ритерий –ейнольдса определ€ет гидромеханическое подобие течени€ среды

, (1.44)

 

где W Ц относительна€ скорость движени€ среды (газа или жидкости); n - коэффициент кинематической в€зкости среды.

 

 ритерий ѕрандтл€ €вл€етс€ теплофизической характеристикой

, (1.45)

где а Ц коэффициент температуропроводности среды.

 

, (1.46)

где lс, сс, gс Ц коэффициент теплопроводности, удельна€ теплоемкость и плотность среды, соответственно.

ѕри теплообмене в газе формула (1.43) упрощаетс€, поскольку дл€ двухатомных газов –r = 0,72 и критерий Ќуссельта будет зависеть только от изменени€ критери€ –ейнольдса. ѕри малых значени€х критери€ –ейнольдса (Re < 150) критерий Ќуссельта определ€ют по формуле:

 

Nu = 2 + 0,16 Re1/2. (1.47)

 

ѕри значени€х Rе > 150 используют другую формулу:

 

Nu = 0,62 Re1/2. (1.48)

¬ качестве примера, выполним расчет средней скорости охлаждени€ капель расплава инструментальной стали при распылении высокоскоростным потоком азота. ƒл€ расчета примем следующие, близкие к практике распылени€, исходные данные:

‑ размер капель расплава Ц 100 мкм (1×10-4 м); абсолютные температуры расплава “п и окружающий среды “с Ц 1800 и 300 , соответственно;

‑ скорость газа Ц 100 м/с;

‑ коэффициент кинематической в€зкости газа, n = 7,9×10 -5 м2/с;

‑ коэффициент теплопроводности газа, lс = 2,6×10 -2 ¬т/(м× );

‑ плотность расплава стали, gж = 7×103кг/м3;

‑ теплоемкость расплава стали, ср @ 840 ƒж/(кг× ).

 

ѕо формуле (1.44) определ€ем критерий –ейнольдса:

Re = 100 ·1·10-4 / 7,9·10-5 = 126,6

ѕо формуле (1.47) определ€ем критерий Ќуссельта:

Nu = 0,62 ·126,61/2 ≈ 6,98

ќпределим коэффициент теплоотдачи, использу€ формулу (1.42):

α = Nu·lс / d = 6,98·2,6×10 -2 / 1·10-4 ≈ 1,5·103 ¬т/(м2× )

— учетом (1.40) и пренебрега€ излучением, получим среднюю скорость охлаждени€:

Vохл = 6·1,5·103 (1800-300) / 1·10-4·7·103·840 ≈ 2,3·104  /c.

 

1.11.3. ‘ормообразование распыленных частиц

¬ отделенных от струи расплава жидких капл€х сохран€ютс€ пульсирующие волновые колебани€. ¬ случае усилени€ пульсации за счет аэродинамических сил взаимодействи€ с окружающей средой процесс делени€ капель продолжаетс€. ѕри затухании пульсации силы поверхностного нат€жени€ стрем€тс€ придать капле сферическую форму. ѕериод колебаний капли и врем€ их затухани€ завис€т от в€зкости расплава и поверхностного нат€жени€. ќчевидно, что врем€, необходимое дл€ сфероидизации (tсф) жидкой капли размером d должно быть меньше времени ее затвердевани€:

 

tсф < (t1+t2), (1.49)

 

где t1 Ц врем€ охлаждени€ капли до температуры затвердевани€ “3; t2 Ц врем€ затвердевани€ с выделением скрытой теплоты затвердевани€.

«начени€ t1, t2 и tсф могут быть рассчитаны по формулам:

 

t1 = dcрγж · ln [(“ѕ-“) / (“« Ц “)] / 6α, (1.50)

 

, (1.51)

 

. (1.52)

 

–ассчитаем значени€ t1, t2 и tсф дл€ случа€ распылени€ стали при следующих значени€х исходных данных:

‑ температура затвердевани€ расплава, “з = 1600  ;

‑ коэффициент динамической в€зкости, h = 0,0054 ѕа×с;

‑ поверхностное нат€жение расплава, s = 1,83 Ќ/м;

‑ скрыта€ теплота затвердевани€, L = 2,6×105 ƒж/кг;

‑ поверхность капли, F = 3,14×10-8 м2;

‑ масса капли, m = 3,66×10-9 кг.

ќстальные исходные данные те же, что и в предыдущем расчете скорости охлаждени€ капель расплава.

¬ соответствии с (1.50):

 

.

 

ƒл€ расчета t2 предварительно определим величину теплового потока: 1,5×103×1500 ≈ 2,25×106 ¬т/м2.

ѕодставив численные значени€ в (1.51), получим:

t2 = 3,66·10-9 · 2,6·105 / 2,25·106 · 3,14·10-8 ≈ 1,35·10-2 c.

Cуммарное врем€ полного затвердевани€ капли:

t = t1 + t2 ≈ 2,7·10-3 + 1,35·10-2 ≈ 1,62·10-2 с.

¬рем€ сфероидизации капли в соответствии с (1.52):

tсф = 0,82 · 1·10-4 · 5,4·10-3 / 1,83 ≈ 2,43·10-7 c.

ќчевидно, что tсф << (t1+t2), следовательно, капл€ успеет сфероидизироватьс€ до полного затвердевани€. ќднако такой вывод справедлив дл€ условий распылени€ расплава в газовой атмосфере без существенного окислени€ капель. ¬заимодействие капель расплава с кислородом, как уже отмечалось, приводит к образованию оксидных пленок на поверхности, причем пленка из тугоплавких оксидов сдерживает процесс сфероидизации и в этом случае форма порошковых частиц может отличатьс€ от сферической. ѕри распылении струи расплава потоком воды, капли, в св€зи с более интенсивным охлаждением, часто сохран€ют неправильную форму. ¬рем€ сфероидизации капель возрастает с увеличением в€зкости расплава и уменьшением сил поверхностного нат€жени€. ¬вод€ в расплав различные добавки, измен€ющие его свойства, можно, в определенной мере, регулировать форму частиц. ¬ частности, введение в расплав железа небольших добавок алюмини€, цинка, марганца, лити€, титана, кальци€ и магни€ (от 0,05 до 2 % по массе) сопровождаетс€ уменьшением поверхностного нат€жени€ расплава и способствует получению распыленных порошков неправильной формы.

 

1.11.4.  ристаллизаци€ распыленных частиц

≈ще в 1878 г. ƒ. . „ернов, исследу€ структуру литой стали, отметил, что кристаллизаци€ металла состоит из двух элементарных процессов. ѕервый представл€ет собой зарождение мельчайших кристаллических частиц, а второй ‑ рост этих частиц. —истематические исследовани€ процесса образовани€ центров кристаллизации и их роста вначале на прозрачных органических жидкост€х, а затем и на металлах были выполнены √. “амманом. ¬ результате была сформирована теори€ самопроизвольной или гомогенной кристаллизации, суть которой сводитс€ к следующему. ¬ металлических расплавах при температуре несколько ниже, чем температура равновесной кристаллизации, под воздействием флуктуаций энергии возникают упор€доченные агрегаты атомов - кластеры, способные при дальнейшем понижении температуры самопроизвольно стать твердой частицей - центром кристаллизации. „асть таких центров продолжает рост с определенной скоростью. „исло центров кристаллизации („÷), возникающих в единицу времени, и линейна€ скорость их роста, скорость кристаллизации (— ), определ€ютс€ величиной переохлаждени€ (D“):

 

, (1.53)

 

где “р ‑ равновесна€ температура кристаллизации; “ф ‑ фактическа€ температура кристаллизации.

√рафически изменение параметров кристаллизации „÷ и —  в зависимости от величины переохлаждени€ показано на рис. 1.19. ѕри равновесной температуре кристаллизации, когда D“ = 0, значени€ „÷ и —  также равны нулю. — по€влением и по мере увеличени€ переохлаждени€ значени€ „÷ и —  возрастают, проход€т через максимум и снижаютс€ до нул€. –ост величин „÷ и —  объ€сн€етс€ тем, что с увеличением переохлаждени€ возрастает разность свободных энергий жидкого и твердого состо€ний.

—корость кристаллизации „исло центров   —тепень переохлаждени€
 
  –ис. 1.19. ѕараметры кристаллизации в зависимости от степени переохлаждени€

 

 

ѕоследующее уменьшение „÷ и —  при больших переохлаждени€х св€зано с повышением в€зкости и уменьшением диффузионной подвижности атомов. ѕри очень большом переохлаждении подвижность атомов может стать настолько низкой, что они не смогут сформировать правильную кристаллическую решетку и расплав затвердеет в аморфном, стеклообразном состо€нии.

—ледует иметь в виду, что далеко не все образующиес€ в расплаве зародыши способны к дальнейшему росту. »зменение термодинамического потенциала системы при образовании зародыша радиусом r в изотермических услови€х описываетс€ формулой:

 

, (1.54)

 

где j1, j2 - термодинамические потенциалы жидкой и твердой фаз s - поверхностное нат€жение на границе раздела фаз.

ѕервый член формулы (1.54) представл€ет изменение объемной энергии, а второй - поверхностной. “ермодинамический потенциал жидкой и твердой фаз в услови€х равновеси€ одинаков j1 = j2 . — по€влением переохлаждени€, когда температура расплава ниже равновесной температуры кристаллизации, тверда€ фаза становитс€ более устойчивой (j2 < j1). ¬еличина переохлаждени€ тем больше, чем больше разность (j1 - j 2). ѕоскольку второй член уравнени€ (1.54) всегда имеет положительное значение, то образование зародышей может происходить только в переохлажденной жидкости и в том случае, когда изменение свободной энергии фаз перекроет по величине значение поверхностной энергии, затраченной на образование поверхности раздела.

—пособными к росту могут быть зародыши, размер которых больше некоторой критической величины rk.  ритический размер зародыша соответствует максимуму кривой и может быть определен из услови€:

 

. (1.55)

 

¬ соответствии с (1.55) критический размер зародыша определитс€ равенством:

 

. (1.56)

 

»зложенные представлени€ о гомогенном зарождении центров кристаллизации неоднократно подвергались критике. ≈ще в работах ј.ј. Ѕочвара,  .ѕ. Ѕунина и других отмечалось, что реальные технические расплавы содержат нерастворимые взвешенные частицы, которые могут служить готовыми центрами кристаллизации при минимальных переохлаждени€х. ѕри наличии таких частиц в расплаве не может развитьс€ глубокое переохлаждение, следовательно, сам процесс кристаллизации €вл€етс€ не гомогенным, а гетерогенным.

јвтором исследовалась структура литого молибдена, образцы которого были получены в различных услови€х охлаждени€. Ќа рис. 1.20а демонстрируетс€ фотографи€ макроструктуры слитка, выплавленного электродуговым способом в медном охлаждаемом водой кристаллизаторе.

 

 

ј)

 

 

Ѕ)

 

¬)

 

–ис. 1.20. ћакро и микроструктура литого молибдена:

а Ц слиток с столбчатой структурой, Vохл < 1  /c;

б Ц слиток с равноосной структурой, Vохл ≈ 1  /c;

в Ц гранула, Vохл ≈ 104  /c, х350

—литок затвердевает при мощном тепловом воздействии электрической дуги на лунку расплава. ѕри этом способе плавки первые кристаллы по€вл€ютс€ в начальный период на поверхности затравки и стенках кристаллизатора, которые служат готовой поверхностью раздела. ѕоследующий рост возникших кристаллов происходит в глубь расплава в направлении, обратном градиенту температуры. ѕеред фронтом кристаллизации возникает минимальна€ по величине и прот€женности зона термического переохлаждени€, достаточного дл€ роста кристаллов и недостаточного дл€ возникновени€ новых центров кристаллизации. ѕоперечный размер столбчатых кристаллов определ€етс€ числом центров кристаллизации, возникших в первоначальный момент плавки при формировании жидкой лунки расплава. „ем выше температура перегрева расплава и меньше содержание в нем растворимых примесей, тем меньше возникает кристаллов и соответственно больше их поперечный размер.

ѕри заливке молибденового расплава в медную изложницу резко мен€етс€ характер его кристаллизации (рис. 1.20б). ÷ентры кристаллизации, очевидно, возникают во всем объеме расплава, причем размер зерна одинаков в центре слитка и у его поверхности. –асчетна€ скорость охлаждени€ слитка Æ 60 мм при массе 5 кг составила 7Ј102  /с.

Ќа рис. 1.20в иллюстрируетс€ микроструктура молибденовой гранулы Æ 0,5 мм. –асплав распыл€ли центробежным способом в вакууме. –асчетна€ скорость охлаждени€ ~ 104  /с. ’арактер структуры гранулы такой же как у слитка, залитого в изложницу. ¬ажно то, что в момент кристаллизации молибденова€ капл€ не имела контакта с вещественной средой, следовательно, можно полагать, что в данном случае имела место только гомогенна€ объемна€ кристаллизаци€. ¬ пользу этого предположени€ говорит и то, что в жидком молибдене, температура которого с учетом перегрева составл€ет около 3000∞—, вр€д ли могут быть нерастворимые примеси, способные играть роль центров кристаллизации. ѕри объемной кристаллизации должно выполн€тьс€ условие:

 

, (1.57)

 

где и L Ц удельна€ теплоемкость и скрыта€ теплота затвердевани€ расплава.

ѕринима€ известные дл€ молибдена значени€ = 435 ƒж/кг×∞— и L = 290×103 ƒж/кг можно приближенно оценить величину переохлаждени€ D“ї 667∞—.

Ѕолее поздние исследовани€ других авторов показали, что в мелких капл€х расплава могут развиватьс€ еще более значительные переохлаждени€. ¬ табл. 1.8 представлены значени€ глубины переохлаждени€ дл€ различных металлов в капл€х диаметром 10 - 15 мкм.

 

“аблица 1.8





ѕоделитьс€ с друзь€ми:


ƒата добавлени€: 2015-01-29; ћы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 1569 | Ќарушение авторских прав


ѕоиск на сайте:

Ћучшие изречени€:

Ќадо любить жизнь больше, чем смысл жизни. © ‘едор ƒостоевский
==> читать все изречени€...

467 - | 361 -


© 2015-2023 lektsii.org -  онтакты - ѕоследнее добавление

√ен: 0.176 с.