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

 

 

 

 


јтомные радиусы переходных металлов и металлоидов




ѕереходные металлы ћ е т а л л о и д ы
Ёлемент –адиус, нм Ёлемент –адиус, нм
ћарганец 9,1 Ѕор 2,0
∆елезо 8,7 ”глерод 2,0
 обальт 8,2  ремний 3,9
Ќикель 7,8 ‘осфор 4,4

 

јморфное состо€ние €вл€етс€ структурно метастабильным и неустойчивым. ѕри нагреве аморфных сплавов выше некоторой температуры “кр (температура кристаллизации) происходит переход сплава в стабильное кристаллическое состо€ние. ќбычно температура “кр на несколько дес€тков градусов превышает температуру аморфизации. ѕроцесс перехода аморфной структуры в кристаллическую зависит от природы кристаллизующейс€ фазы.  ак правило, такой переход проходит через р€д метастабильных состо€ний. Ќаиболее подробно исследован процесс перехода в сплаве Pd80Si20. ѕри повышении температуры в этом сплаве происходит следующа€ последовательность превращений:

‑ некоторое упор€дочение в расположении аморфной фазы и образование сильно пересыщенного твердого раствора;

‑ по€вление внутри аморфной матрицы небольших кристаллов паллади€ с гцк-структурой метастабильной фазы - (ћ‘ Ц 1);

‑ образование сложной упор€доченной метастабильной фазы (ћ‘ Ц 2);

‑ распад метастабильной фазы ћ‘ Ц 2 на смесь равновесных фаз и их укрупнение.

ѕримерно така€ же последовательность превращений имеет место и в других аморфных сплавах (Fe80 P13 C7, Co75 Si 15 B10 и др.). ” всех этих сплавов на второй стадии превращени€ образуютс€ кристаллики размером 10 - 50 нм со структурой низкотемпературной модификации основного компонента (ћ‘-1).

«начительный интерес вызывают низкотемпературные превращени€ в аморфных сплавах, подвергнутых длительному отжигу при температуре ниже “кр. ¬ этом случае аморфна€ структура трансформируетс€ в нано-кристаллическую фазу с размером частиц 5 - 10 нм. ¬ отличие от метастабильной фазы ћ‘-1, нанокристаллическа€ фаза представл€ет собой пересыщенный твердый раствор, состав которого соответствует составу исходной матрицы. ѕредполагаетс€, что механизм образовани€ твердорастворной нанокристаллической фазы отличаетс€ от классического механизма зарождени€ и роста кристаллов, поскольку происходит без диффузии атомов на значительные рассто€ни€.

—хематичное изображение нанокристаллической и аморфной структуры показано на рис. 1.27.

–ис. 1.27. —хема нанокристаллической и аморфной структуры

 

1.11.6. ћикроструктура распыленных частиц технических сплавов

јвтор с сотрудниками исследовали микроструктуру распыленных частиц быстрорежущей стали в широком диапазоне скоростей охлаждени€.

Ќа рис. 1.28 представлены типичные образцы микроструктур.

 

–ис. 1.28. ћикроструктура порошка быстрорежущей стали, х250:

а Ц дендритна€; б Ц равноосна€

 

¬ы€вл€ютс€ две формы структурных образований - дендритна€ и равноосна€. Ќа некоторых исследованных образцах можно наблюдать смешанную структуру из дендритов и равноосных зерен. ƒендритные формы преобладают у порошковых частиц, затвердевавших со скорост€ми охлаждени€ 5×103 - 1×104  /с. ѕовышение скорости охлаждени€ до 105  /с и выше приводит к образованию равноосной микроструктуры.

  –ис. 1.29. ƒефекты порошковых частиц, х 250: а Ц газовые раковины; б ‑ крупный дендрит; в Ц сателлиты   –ис. 1.30. ћикроструктура алюминиевого сплава ƒ16: а Ц гранула, х 12000; б Ц слиток, х 100

 

—ущественное вли€ние на формирование и микроструктуру распыленных газом частиц оказывает турбулентность газового потока в зоне распылени€, где одновременно сосуществуют мелкие уже затвердевшие частицы и более крупные капли расплава. ћелкие твердые частицы двигаютс€ в потоке газа с повышенной скоростью и часто сталкиваютс€ с еще не затвердевшими капл€ми расплава, что приводит к по€влению дефектных частиц (рис. 1.29). ¬ структуре крупных частиц образуютс€ газовые поры, внутри которых расположены очень мелкие сферические частицы, внедрившиес€ в жидкую каплю (рис. 1.29а). ¬ некоторых случа€х, внедривша€с€ в каплю мелка€ частица становитс€ центром зарождени€ крупного дендрита (рис. 1.29б). ќпределенна€ часть мелких частиц привариваетс€ к крупным частицам, в форме Ђсателлитовї (рис. 1.29в). ќписанные дефекты порождают различные виды микронеоднородности структуры, которые могут негативно вли€ть на свойства порошковых изделий.

¬ литературе имеютс€ сведени€ о микроструктуре алюминиевых гранул, скорость охлаждени€ которых была в диапазоне 103-105  /с. ћикроструктура матрицы (твердый раствор) всегда имеет дендритную форму. ≈сли первичными при затвердевании гранул €вл€ютс€ дендриты a - фазы, то частицы вторых фаз, образующихс€ в объемах, ограниченных ветв€ми дендритов, особенно дисперсны. –азмер частиц вторых фаз, дл€ случа€ эвтектической кристаллизации, составл€ет сотые или дес€тые доли микрометра. Ќа рис. 1.30 показана микроструктура алюминиевого сплава ƒ16. —опоставл€етс€ микроструктура гранулы при увеличении х 12000 (электронный микроскоп) и обычна€ микроструктура слитка при увеличении х 100. ќчевидно, что в распыленных порошках размер частиц второй фазы примерно в 100 раз меньше, чем в слитках.   насто€щему времени накоплено много экспериментальных данных о св€зи дендритного параметра (или диаметра равноосного зерна) со скоростью охлаждени€ расплава. Ёта зависимость имеет вид:

 

dп = K/ Vm, (1.58)

 

где dп Ц дендритный параметр (размер зерна); V Ц скорость охлаждени€;   и m Ц посто€нные дл€ данного сплава и способа распылени€. ѕо данным разных исследователей показатель степени m измен€етс€ от 0,3 до 0,5. ѕо нашим экспериментальным данным размер дендритного параметра в распыленных газом порошках быстрорежущей стали составл€ет 2 Ц 3 мкм при размере порошковых частиц 70 Ц 100 мкм.

ќтметим в итоге, что одним из основных эффектов быстрого затвердевани€ €вл€етс€ получение высокодисперсной литой структуры металлических сплавов. “ипичный размер зерна у подобных структур d £ 5 мкм при субмикронных размерах частиц вторых фаз.

 

1.11.7. “ехнологи€ газового распылени€

¬ качестве примера приведена аппаратурно-технологическа€ схема получени€ порошков железа распылением расплава воздухом.

 

 

 

–ис. 1.31. ”становка газового распылени€: 1 Ц индукционна€ печь;

2 Ц литейна€ воронка; 3 Ц форсунка; 4 Ц рабоча€ площадка;

5 Ц газопровод; 6 Ц сборник порошка; 7 Ц устройство перемешивани€; 8 Ц камера распылени€

 

–асплав чугуна получают в вагранке, из которой через разливочную емкость жидкий металл поступает в камеру распылени€. –аспыление провод€т при температуре около 1500 ºC воздухом, который подаетс€ через плоскую щелевую форсунку при давлении 4 Ц 5 ћѕа и расходе 70 Ц 80 м3/мин. —корость распылени€ примерно 200 кг/мин. ќбразующиес€ капли расплава падают в вод€ную ванну и после охлаждени€ в виде пульпы подаютс€ насосом в систему обезвоживани€ и сушки порошка. ¬ысушенный порошок-сырец обычно содержит 3 Ц 3,5 % углерода и 5 Ц 5,5 % кислорода. ƒалее порошок восстанавливают в водороде при 1000 Ц 1050 ºC в печи с шагающим подом, а затем дроб€т и измельчают с выводом годной фракции. ¬осстановленный порошок содержит около 0,1 % углерода и менее 1 % кислорода.

—уществуют и другие технологические схемы распылени€ чугуна воздухом, отличающиес€ составом оборудовани€. Ќапример, вместо вагранки примен€ют индукционные или электродуговые печи.

Ќа рис. 1.31 показана схема одной из первых экспериментальных отечественных установок газового распылени€ конструкции ÷Ќ»»ћ.

”становка предназначена дл€ получени€ опытных партий порошка из легированных сталей и сплавов. ѕлавка металла осуществл€ют в открытой индукционной печи с емкостью тигл€ 60 кг (по стали). «а врем€ плавлени€ металла камеру установки вакуумируют и заполн€ют азотом. ќдновременно разогревают газовой горелкой металлоприемник до температуры 1000 Ц 1100∞—. ѕо завершению плавки и подготовительных операций металлический расплав заливают в металлоприемник, из которого через калиброванную кварцевую трубку с внутренним диаметром ~ 6 мм расплав поступает в камеру установки и распыл€етс€ потоком азота особой чистоты (содержание кислорода в азоте не более 0,003 % по массе). √азовый поток формируетс€ пневматической кольцевой форсункой, куда азот поступает под давлением 1,0 Ц 1,2 ћѕа. “емпература перегрева металла над точкой плавлени€ 150 Ц 200∞—, например расплав быстрорежущей стали перед заливкой имеет температуру ~ 1600∞—, расход металла при распылении 20 Ц 25 кгмин. «атвердевание капель расплава происходит за врем€ их падени€ в камере печи, а дальнейшее охлаждение в сборнике порошка. ќтличительной особенностью установки €вл€етс€ ее компактность. ¬ысота камеры установки 5,2 м, что позвол€ет разместить ее в обычном производственном помещении. ѕри малой высоте камеры требуютс€ дополнительные меры дл€ охлаждени€ порошка. ¬ малогабаритной установке конструкции ÷Ќ»»ћ эта задача решена путем применени€ охлаждаемого водой сборника со специальным устройством дл€ перемешивани€ порошка. ¬ этой установке на прот€жении многих лет получали порошки инструментальных сталей. ¬ опытном пор€дке изготавливали также порошки нержавеющих, конструкционных сталей, сплавов на основе олова, алюмини€, меди, никел€ и кобальта. ѕорошки имеют сферическую форму с размером частиц от 50 до 150 мкм.

–ассмотрим более подробно конструкцию оборудовани€ и промышленный процесс производства порошков инструментальных сталей, освоенный в ѕќ Ђ»жстальї, на базе установки, спроектированной ¬Ќ»»ћ≈“ћјЎ и институтом ”крЌ»»спецсталь (рис. 1.32). ”становка включает в себ€ плавильное оборудование, камеру распылени€, систему газового питани€ и рециркул€ции, систему водоохлаждени€, контрольно-измерительную аппаратуру и аппаратуру управлени€.

ѕлавильное оборудование состоит из двух специализированных плазменных печей. ѕечи снабжены футерованными крышками, позвол€ющими производить выплавку и разливку металла в защитной атмосфере плазмообразующего газа и уменьшающими тепловые потери металла при сливе его в металлоприемник. ѕечи установлены на подвижной платформе, что позвол€ет вести плавку на рассто€нии 3 м от камеры распылени€. Ётим обеспечиваетс€ удобство и безопасность работы.

 

 

–ис. 1.32. —хема промышленной установки газового распылени€:

1 Ц плавильна€ печь; 2 Ц форсунка; 3 Ц разливочный ковш;

4 Ц буферный баллон; 5 Ц устройство охлаждени€ порошка;

6 Ц вакуумный насос; 7 Ц сборник порошка; 8 Ц компрессор;

9 Ц фильтр тонкой очистки газа; 10 Ц шлюзова€ камера;

11 Ц фильтр грубой очистки газа; 12 Ц теплообменник;

13 Ц камера распылени€

 

 амера распылени€ €вл€етс€ основным агрегатом установки. ¬ ней осуществл€ютс€ процессы разливки металла, формирование металлической струи и ее распыление высокоскоростным газовым потоком, затвердевание распыленных частиц, их охлаждение и сбор.  амера распылени€ представл€ет собой конструкцию, состо€щую из двустенных водоохлаждаемых обечаек, выполнена из нержавеющей стали. Ќа верхней крышке камеры распылени€ смонтированы верхний герметизирующий клапан и форсуночное устройство, в центральной горловине крышки установлен металлоприемник.

 лапан герметизирует камеру в периоды между распылени€ми и создает возможность обслуживани€ форсунки и металлоприемника без разгерметизации камеры. ‘орсунка монтируетс€ в ступенчатом держателе. „ерез полость, образуемую ступен€ми держател€ и выточками фланца, проходит тракт подачи распыливающего газа.

ћеталлоприемник установлен по оси форсуночного устройства. ¬ центральной части дна металлоприемника располагаетс€ дозатор с калиброванным отверстием, через которое расплав подаетс€ в форсунку. ѕри подготовке к приему металла металлоприемник нагреваетс€ газовой горелкой до 1300∞—. ƒл€ уменьшени€ потерь тепла металлоприемник оборудован поворотной футерованной крышкой.

”зел охлаждени€ установки обеспечивает двухстадийное охлаждение порошка. ќн состоит из двух смонтированных в корпусе и обращенных друг к другу основани€ми конусов. ¬ерхний конус образует с корпусом концентрическую щель, куда поступает и равномерно распредел€етс€ по периферии распыленный порошок. Ќавстречу порошку поступает азот, в противотоке которого осуществл€етс€ перва€ стади€ охлаждени€ частиц. Ќижний конус узла охлаждени€ выполнен из тканной металлической сетки. ѕод сетку подаетс€ холодный азот и перемещающийс€ по сетке порошок проходит вторую стадию принудительного охлаждени€. ѕод узлом вторичного охлаждени€ смонтирована шлюзова€ камера, предназначенна€ дл€ смены порошкосборника без разгерметизации камеры распылени€. ѕорошкосборник имеет герметизированный корпус с двум€ горловинами, на которых установлены вакуумные затворы. Ѕлагодар€ этому, порошок в сборнике может хранитьс€ или передаватьс€ дальше в вакуумированном состо€нии, или под защитой инертного газа, без сообщени€ с атмосферой.

¬ качестве теплообменников в системе охлаждени€ газа установлены два вертикальных кожухотрубчатых холодильника с суммарной поверхностью охлаждени€ 90 м2. ќхлаждаемый газ подаетс€ по трубам холодильника, а охлаждающа€ вода Ц по межтрубному пространству.

ƒл€ очистки отработанного газа от металлических частиц предусмотрены фильтры грубой и тонкой очистки. ‘ильтр грубой очистки представл€ет собой Ђгармошкуї колец из пористой нержавеющей стали толщиной 0,8 мм. ‘ильтрующа€ поверхность Ц 15,6 м2. Ќоминальна€ пропускна€ способность фильтра 2500 м3 ч, тонкость фильтрации 99 % частиц размером более 5 мкм. ‘ильтр тонкой очистки со стандартным фильтрующим элементом обеспечивает тонкость фильтрации 99,99 % частиц более 0,1 мкм.

¬се подсистемы распылительной установки св€заны между собой схемой электроуправлени€, что позвол€ет вести процесс в полуавтоматическом режиме. ¬ частности, подача газа на распыление осуществл€етс€ автоматически по сигналам от радиационного пирометра, сфокусированного на выходной конец металлопровода форсунки.

“ехническа€ характеристика установки ћ–—(г) Ц 3800:

„исло плавильных печейЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.2

≈мкость плавильного тигл€ (по стали), кгЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.600

ћаксимальна€ температура расплава, ∞—ЕЕЕЕЕЕЕЕЕ1800

¬рем€ расплавлени€ и перегрева металла до 1650∞—, минЕЕЕ40

”становленна€ мощность плавильного агрегата, к¬тЕЕЕЕ1054

¬рем€ слива металла из печи, минЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.3

ћасса плавильного агрегата, тЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..30

–абочий газ при распыленииЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..азот

ƒавление рабочего газа перед форсуночным устройством, ћѕа £ 2

–асход газа на распыление, м3минЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.18-24

–асход газа на охлаждение порошка, м3минЕЕЕЕЕЕЕ.12-18

ѕроизводительность (по стали), кгминЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.30-40

≈мкость металлоприемника (по стали), кгЕЕЕЕЕЕЕЕЕ700

¬нутренний диаметр камеры распылени€, ммЕЕЕЕЕЕЕ2100

–ассто€ние свободного полета частиц, ммЕЕЕЕЕЕЕЕ..7000

≈мкость порошкосборника (по порошку стали), кгЕЕЕЕЕ1250

–азмеры установки, мм ЕЕЕЕЕЕЕЕЕ...15000´15000´15000

ћасса установки (без плавильных печей), т ЕЕЕЕЕЕЕЕ.120

”становка ћ–—(г) Ц 3800 предназначена дл€ промышленного производства порошков инструментальных сталей и сплавов, магнитных и наплавочных материалов, технического железа, а также цветных металлов и сплавов.

¬ажным конструктивным узлом установок газового распылени€ металлических расплавов €вл€етс€ пневматическа€ форсунка. ѕневматические форсунки можно разделить на две группы.   первой относ€тс€ форсунки, работающие на гор€чем дутье, температура которого на 100-200∞— выше температуры плавлени€ распыл€емого металла. Ёти форсунки обычно примен€ютс€ при распылении легкоплавких металлов Ц свинца, олова, цинка, алюмини€.  о второй группе относ€тс€ форсунки, работающие на холодном дутье. ќни примен€ютс€ дл€ распылени€ расплавов с более высокой температурой плавлени€ Ц меди, железа, никел€ и их сплавов. ќсновные требовани€, предъ€вл€емые к конструкции распылительного узла, формулируютс€ следующим образом:

‑ зона распылени€ должна иметь достаточную прот€женность и быть максимально приближена к форсунке;

‑ наружна€ граница металлогазового факела должна совпадать с наружной границей газового потока;

‑ коагул€ци€ капель в зоне распылени€ должна быть минимальной;

‑ распыление не должно сопровождатьс€ набрызгиванием металла на нижнюю часть форсунки;

Ќа рис. 1.33 показана схема форсунки, работающей на гор€чем дутье.

√ор€чий газ тангенциально подаетс€ в газовую камеру форсунки, котора€ оканчиваетс€ сужающейс€ частью сопла. ѕо мере движени€ в камере газ разгон€етс€ и в критическом сечении достигает звуковой скорости. —опло рассчитано и выполнено так, что при дальнейшем перемещении газа по расшир€ющей части скорость газа продолжает расти. ѕроход€ кромку внутренней короткой стенки сопла, газовый поток оказывает эжектирующее воздействие на струю расплава, вытекающую из сливного отверсти€. Ќа срезе внутренней кромки сопла давление становитс€ меньше атмосферного, и расплав внедр€етс€ в газовый поток. ѕервичные крупные пр€ди расплава взаимодействуют с газом непосредственно на срезе сопла, где разрушающее воздействие газового потока максимально.

 

–ис. 1.33. ‘орсунка, работающа€ на гор€чем дутье: 1 Ц корпус;

2 Ц газова€ камера; 3 Ц сопло Ћавал€; 4 Ц канал дл€ расплава;

5 Ц удлинитель сопла

 

 онструкции форсунок, подобные той, что приведена на рис. 1.33, при распылении олова обеспечивают производительность до 200 кгч. “емпература распыливающего газа (воздуха) 500 Ц 600 ∞—, давление 0,4 ћѕа. –азмер порошковых частиц менее 63 мкм, причем выход фракции с размером менее 45 мкм составл€ет более 90 %.

Ќа гор€чем дутье работают также форсунки эжекционного типа (рис. 1.34). ѕринцип действи€ этих форсунок основан на эжекции струи расплава с последующим ее дроблением.

 

–ис. 1.34. Ёжекционна€ форсунка: 1 Ц кольцевое газовое сопло;

2 Ц металлопровод; 3 Ц ванна с расплавом

 

√азовый поток из кольцевого сопла 1 создает на срезе трубки 2 разрежение, под вли€нием которого расплав по каналу трубки поступает в зону распылени€ и дробитс€ на капли. ¬еличина разрежени€ зависит от давлени€ распыливающего газа в камере форсунки, температуры газа, площадей сечени€ газового сопла и отверсти€ трубки, а также от других менее значимых факторов. ѕри дозвуковых скорост€х потока определ€ющее вли€ние на величину разрежени€ оказывает давление распыливающего газа, т. е. его скорость на срезе сливной трубки. ѕри сверхзвуковом истечении газа величина разрежени€ определ€етс€ плотностью газа.

“ипична€ конструкци€ форсунки, работающей на холодном дутье, показана на рис. 1.35.

 

–ис. 1.35. ‘орсунка со сверхзвуковым соплом, работающа€ на

холодном дутье: 1 Ц диффузор внутренней камеры;

2 Ц центральное тело сопла

 

—тру€ металла по сливному отверстию вводитс€ в зону дроблени€ в области сечени€ —. —верхзвуковой поток газа имеет форму цилиндра и в сечении — представл€ет собой кольцо с радиусом R. ¬ этом сечении поток имеет максимальную скорость и минимальный объем. Ёто обеспечивает эффективное использование энергии потока при распылении. —тру€ дробитс€ до капель конечного размера в непосредственной близости от среза газового сопла, т.е. при высокой скорости газового потока.   недостаткам форсунок этого типа надо отнести налипание брызг металла на торец форсунки, оплавление и деформацию кварцевой трубки, через которую расплав подаетс€ в зону дроблени€. Ёто может приводить к нарушению процесса распылени€.  роме того, наблюдаютс€ случаи затвердевани€ расплава в трубке, когда металлоприемник имеет температуру ниже 1000∞— перед заливкой расплава, или температура перегрева расплава недостаточно высока. ѕри работе с описанной форсункой приходитс€ производить демонтаж и новую сборку распылительного узла после каждой плавки.

ќтмеченные недостатки устран€ютс€ в конструкции бесконтактной форсунки, схема которой приведена на рис. 1.36.

 

–ис. 1.36. Ѕесконтактна€ форсунка с дуговыми соплами:

1Ц металлоприемник; 2 Ц газова€ камера; 3 Ц дуговые сопла

 

‘орсунка работает по принципу дроблени€ свободно истекающей струи расплава двум€ раздельными газовыми потоками. ѕри такой схеме в зоне распылени€ не возникает разрежени€, а, следовательно, исключаетс€ набрызгивание капель металла на форсунку. ќбеспечиваетс€ также простота наладки распылительного узла.

ƒл€ получени€ порошков из сплавов, содержащих металлы с высоким химическим средством к кислороду (жаропрочные никелевые сплавы и др.) примен€ют установки газового распылени€, оборудованные вакуумной плавильной камерой, а иногда и камерой, заполненной инертным газом, в котором производ€т выгрузку, рассев и упаковку порошка. “акую камеру называют чистой комнатой. “ипичные параметры газового распылени€ жаропрочного никелевого сплава приведены в табл. 1.8.

 

“аблица 1.8





ѕоделитьс€ с друзь€ми:


ƒата добавлени€: 2015-01-29; ћы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 1235 | Ќарушение авторских прав


ѕоиск на сайте:

Ћучшие изречени€:

Ћибо вы управл€ете вашим днем, либо день управл€ет вами. © ƒжим –он
==> читать все изречени€...

450 - | 378 -


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

√ен: 0.065 с.