Гранулометричний склад порошку заліза, одержаного розпиленням розплавів сплавів заліза

Рис. 3.3. Залежність в’язкості розплавів сплавів на

основі заліза від температури:

1 – 100% Fe; 2 – Ст. Х12; 3 – сплав Fe + 4,25% C;

4 – Ст. У10; 5 – Fe + 24 % Si; 6 – Fe + 43,2% Si

В’язкість сплавів, що утворюють ряд розчинів у рідкому і твердому станах, зазвичай займає проміжне значення між в’язкостями чистих елементів. За наявності в системах хімічних сполук, які утворюються безпосередньо з розплавів, на залежностях склад – в’язкість існує сингулярний максимум в області концентрацій, що забезпечують утворення цієї сполуки. У розплавах, у яких хімічні сполуки утворюються за перитектичною реакцією, такого максимуму в’язкості на вказаних залежностях немає. Здебільшого в’язкість розплавів евтектичного складу знижена і навіть може бути меншою, ніж для чистих компонентів. Так, наприклад, в евтектичних сплавах Al-Cu вона у 2,5…3,0 рази нижча, ніж для розплавів чистих алюмінію і міді. Подібне явище спостерігається для розплавів системи Fe–C. І навпаки, в’язкість може підвищуватися в області існування твердих розчинів. Особливо це характерно для сплавів систем Al – Cu, Al – Si, Al – Mg в області розчинів на основі алюмінію.

Зниження виходу дрібної фракції можливе також легуванням розплавів заліза, нікелю, кобальту, міді та їх взаємних сплавів елементами, які в процесі розпилення утворюють в’язкі оксидні комплекси. Останні, розміщуючись на поверхні первинних продуктів розпаду струменя металу (пучка, краплі), значно підвищують в’язкість розпилюваної системи, перешкоджаючи тим самим подальшому диспергуванню. Особливо сильно зростає в’язкість рідких частинок у разі утворення на їх поверхні твердих оксидів, як це відбувається під час розпилення розплавів з високим вмістом алюмінію чи силіцію. Саме тому інтенсивність диспергування таких розплавів за наявності окиснювального середовища різко зменшується.

Таку зміну в’язкості рідких сплавів залежно від їх складу та будови діаграм стану треба брати до уваги в разі отримання порошків потрібної дисперсності, підбираючи відповідні параметри процесу.

Інша важлива характеристика розплавів, що впливає на процес їх диспергування і формування властивостей порошків, –поверхневий натяг. Він суттєво впливає на формоутворення частинок порошку. Найбільш сприятливою з термодинамічного погляду є сферична форма, оскільки вона відповідає мінімуму поверхневої енергії

,

де σ – коефіцієнт поверхневого натягу; S^ – площа поверхні.

Тому чим вищий поверхневий натяг розплаву, тим правильніша форма частинок порошку, отримуваного розпиленням, і навпаки.

Зважаючи на високе значення поверхневого натягу розплавів на основі заліза, нікелю, кобальту і деяких інших металів, частинки порошку, утворені з них розпиленням газами, майже завжди мають сферичну чи близьку до неї форму. Однак унаслідок взаємодії з потоком газу крапель, що утворюються розпиленням розплавів, можуть деформуватися, у зв’язку з чим їх форма може відхилятися від сферичної. Якщо за зоною розпилення під дією сил поверхневого натягу вони не встигають відновити сферичну форму, то кристалізуються у найрізноманітніші форми. Змінюючи поверхневий натяг розплавів та інші параметри процесу розпилення, можна отримувати порошки певної форми з різними властивостями: питомою поверхнею, насипною щільністю, пресованістю і формованістю.

Як і в’язкість, поверхневий натяг більшості металевих розплавів залежить від температури зменшується з її підвищенням (рис. 3.4), хоч і менш інтенсивно, ніж в’язкість. Для сплавів зміна поверхневого натягу залежно від температур не завжди однакова: у системах Fe–C, Fe–Ni–C, Cu–Sb та чистій міді спостерігається аномальне зниження зі зниженням температури. Наприклад, у сплавах Fe-C поверхневий натяг збільшується зі зниженням температури до 1550…1575 ° С і далі зменшується до температури плавлення.

Існує також періодична залежність поверхневого натягу елементів від їх порядкового номера в періодичній системі Д. І. Менделєєва. Наприклад, для підгруп гелію, германію, цинку характерне зменшення поверхневого натягу зі зростанням порядкового номера елемента. Періодичний характер залежності поверхневого натягу розплавів від порядкового номера елементів дозволяє робити вибір компонентів для використання їх на практиці як поверхнево-активних домішок. До найактивніших елементів, що знижують поверхневий натяг металевих розплавів, належать кисень, азот, сірка, фосфор. Як видно з табл. 3.4, найбільш інтенсивно знижує поверхневий натяг кисень. З підвищенням його концентрації в залізі до 0,06% поверхневий натяг розплаву знижується в 1,5 разу.

Рис. 3.4. Залежність поверхневого натягу розплавів металів від

температури: 1– Al; 2 – Zn; 3 – Sn; 4 – Pb; 5 – Sb

Не завжди наведені в табл. 3.4 та інші легувальні елементи, що входять до сплавів і впливають на поверхневий натяг розплавів, додають штучно. Наприклад, кисень і азот майже завжди входять до складу газів, застосовуваних для розпилення, і запобігти їх впливу на процес формування властивостей порошків у процесі розпилення не завжди можливо. Марганець, силіцій і алюміній можна додавати для розкиснення розплавів чи надання отримуваним матеріалам потрібних властивостей. Тому в практиці розпилення завдання зводиться до врахування впливів різноманітних легувальних елементів на властивості розплавів з метою вироблення оптимальних режимів отримання порошків з потрібними властивостями. Як відомо, один з діючих параметрів, який впливає на в’язкість і поверхневий натяг, – температура розплаву і утворених з нього крапель. Однак у результаті інтенсивного конвективного теплообміну їх з газовим середовищем і втрат через випромінювання їх температура швидко знижується аж до температури кристалізації. У результаті процес диспергування буде вщухати або взагалі припиняється. Тому важливо знати швидкість охолодження розплаву і його температуру в межах зони розпилення. Одна з властивостей розплаву, яка характеризує швидкість його охолодження, – теплоємність, що входить до рівняння теплового балансу:

, (3.3)

де τ – час, с; α – сумарний коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м²/град); S – площа поверхні краплини, м²; С – теплоємність розплаву, Дж/(кг/град); m – маса краплі розплаву, кг; t_м, t_г – відповідно температура розплаву і газу, який використовується як енергоносій, °С.

Таблиця 3.4