РАСПЛАВ Ы
2 • 2008
УДК 621.762
© 2008 г. Г. Г. Залазинский, Г. Г. Залазинский (мл.), Т. Л. Щенникова, В. Я. Буланов
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЦЕНТРОБЕЖНОГО РАСПЫЛЕНИЯ РАСПЛАВОВ НА ДИСПЕРСНОСТЬ ПОРОШКА
Рассмотрен метод центробежного распыления расплавов. Предложена модель процесса с учетом растекания расплавов по поверхности диска. Из условия равенства сил, действующих на каплю металла перед отрывом от распылительного диска, выведено уравнение, связывающее диаметр капли, угловую скорость вращения диска, диаметр периметра растекания расплава и физико-химические характеристики расплава - плотность, поверхностное натяжение и угол смачивания. Представлена номограмма зависимости среднего размера частиц при центробежном распылении расплавов стали в зависимости от диаметра диска и угловой скорости его вращения.
Метод центробежного распыления расплава, применяемый для получения порошков и гранул, заключается в том, что перегретый расплав подают [1] на распылительный диск. За счет центробежной силы вращающегося диска и силы адгезии между поверхностью диска и металлом расплав растекается по диску и далее формируется в струйки, которые разрушаются на капли.
Скорость растекания металла по поверхности диска зависит от скорости подачи расплава на диск и смачиваемости расплавом распылительного диска. Мерой смачивания обычно служит краевой угол 0 между смачиваемой поверхностью и поверхностью жидкости на периметре смачивания. Угол 0 отсчитывают со стороны жидкости. При статическом (равновесном) смачивании он связан с поверхностным натяжением жидкости (ож), поверхностным натяжением твердого тела (от) и межфазным натяжением на границе твердое тело-жидкость (отж) уравнением Юнга [2]
cos 0 = (от - отж)/ож. (1)
Величиной угла 0 оценивают лиофильность и лиофобность поверхностей по отношению к различным жидкостям, в том числе к расплавам. На лиофильной поверхности жидкость растекается (0 град < 0 < 90) град, на лиофобной - растекания не происходит (0 > 90 град). Краевой угол зависит от соотношения сил сцепления молекул жидкости с молекулами или атомами смачиваемого тела (адгезия) и сил сцепления жидкости между собой (когезия). Обратимую работу адгезии и когезии вычисляют соответственно по уравнениям
W, = ож(1 + cos0), (2)
W = 2ож. (3)
На рис. 1 представлена схема растекания расплава по поверхности вращающегося диска.
При центробежном распылении на каплю расплава перед отрывом действуют две силы, направленные в диаметрально противоположные стороны: сила адгезии между металлом и поверхностью диска
F = ож(1 + cos 0)nd (4)
и центробежная сила
Me
V
О о
D диска
Me
V
D растекания
Рис. 1. Схема центробежного распыления металла на капли: металл смачивает диск (а) и не смачивает (б).
P = 2m
и
D ,
(5)
где U - скорость капли в момент отрыва от периметра смачивания
U = п D ш. (6)
Капля отрывается от расплава, когда центробежная сила равна силе адгезии ож(1 + cos 0)nd = 2mDn2ra2; (7)
так как масса капли
m = pnd /6,
(8)
то после преобразования (7) с учетом (8) получаем формулу для расчета среднего диметра частиц при центробежном распылении:
d=
1 3аж (1 + cos 0)
пш
Р D
(9)
где о, н/м - поверхностное натяжение расплава; р, кг/м3 - плотность расплава; О, м -диаметр периметра смачивания диска, зависит от скорости подачи расплава на диск; ю - 1/с - угловая скорость вращения диска.
В работе [3] приведены результаты моделирования процесса окисления капель сплава олово-свинец при центробежном распылении сплава. Представляло интерес оценить размер капель кристаллизующегося сплава свинец-олово при этом процессе. Проведена серия опытов при различных параметрах диспергирования расплавов олово-свинец в среде азота (см. таблицу) [4].
В таблице приведен расчет йср по опытным данным [4] с использованием формулы
[5]
dcp = 100/Х( midi),
(10)
где 100 - вес исходной навески, г; т; - вес фракции, заключенной между стандартными сетками; й, - средний размер частиц в интервале стандартных сеток.
d
ср
18
Г. Г. Залазинский, Г. Г. Залазинский (мл.), Т. Л. Щенникова, В. Я. Буланов
ю, об/с
Рис. 2. Зависимость среднего размера частиц железа от угловой скорости вращения и диаметра распылительного диска. Б, м: 1 - 0.05, 2 - 0.15, 3 - 0.25.
Из предположения, что угол 0 [2] при получении частиц сплава олово-свинец 149 град, по выведенной выше формуле рассчитаны значения диаметров периметра растекания расплавов при центробежном распылении оловянно-свинцовых припоев с содержанием олова 61 и 63 мас. % и олово-медь (3% Си) при заданных параметрах диспергирования расплавов.
Из таблицы видно, что при подаче расплава припоев на диск со скоростью, реализованной в опытах, около 100 кг/ч, средний диаметр периметра растекания при распылении составляет около 10 см (0.01 м). Полученное уравнение может быть использовано для расчетов параметров диспергирования других расплавов, при близком угле смачивания, таких как у алюминия и меди.
В работе [6] изучено влияние смачиваемости графита сплавами алюминия. Показано, что при 1000-1100°С угол смачивания 0 = 140 град. Для меди при 1550°С имеем 0 = = 140 град [2].
При тех же условиях подачи расплавов меди и алюминия на диск, что и припоев (диаметр периметра растекания 0.01 м, ю = 375 1/с), оценочный расчетный средний размер частиц по уравнению (9) составит 85 мкм и 136 мкм, соответственно. Но в случае алюминия следует учитывать склонность его к окислению в поверхностном слое частиц и нарушение их сферичности за счет этого. Угол смачивания пиролитического графита сталью при 1550°С 0 = 17 град [2]. В этом случае в соответствии с моделью на
Данные для расчета диаметра растекания расплавов припоев по среднему размеру частиц
Сплав г, °С ¿ср, мкм юВр, 1/с О, Н/м р, кг/м3 ^рас^ м
ПОС-63 290 46 300 0.4863 8371 0.013
ПОС-61 270 42 375 0.4839 8467 0.010
ПОС-61 270 43 375 0.4839 8467 0.010
ПОС-61 270 37 400 0.4839 8467 0.011
ПОС-61 270 43 333 0.4839 8467 0.012
ПОМ-3 290 56 333 0.5468 7014 0.010
рис. 1 следует принять диаметр периметра смачивания равным диаметру распылительного диска (при обеспечении достаточной скорости подачи металла на диск). Средние размеры частиц для стали при различных диаметрах распылительного диска в зависимости от скорости вращения представлены на рис. 2. Из рис. 2 видно, что при получении частиц дроби со средним размером от 1000 до 2000 мкм, скорость вращения распылительного диска следует поддерживать на уровне 20-30 оборотов в секунду, а при получении порошков со средним размером менее 400 мкм более 90 оборотов в секунду.
Таким образом, регулируя основные параметры процесса центробежного распыления расплавов металлов можно в широких пределах регулировать размер частиц порошков и гранул.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Берюхов A.B., Шейхалиев Ш.М. Установка УР-7 для производства порошков припоем центробежным распылением расплавов. - Труды IV Межотраслевой научно-технической конференции "Автоматизация и прогрессивные технологии" (АТП-2005). - Новоуральск: Но-воурал. гос. технол. ин-т, 2005, с. 314-317.
2. Физическое материаловедение в СССР. - Киев: Наукова думка, 1986, с. 472-485.
3. Залазинский Г.Г., Залазинский Г.Г. (мл.), Щенникова Т.Л. и др. Моделирование процесса окисления капель сплава свинец-олово при центробежном распылении. - Расплавы, 2006, < 6, с. 90-94.
4. Шейхалиев Ш.М., Берюхов A.B. Разработка метода получения порошкового материала сплава Sn-Pb, используемого для изготовления паяльных паст. - Научная сессия МИФИ-2005 IV научно-практической конференции "Научно-инновационное сотрудничество". Сборник науч. трудов. Ч. 2. - М.: МИФИ, 2005, с. 64-65.
5.Залазинский Г.Г., Щенникова Т.Л. Теоретические основы металлургии железных порошков. - Екатеринбург: УрО РАН, 2004. - 90 с.
6. Киселев A.B., Ченцов В.П., Бодрова Л.Е. и др. Смачивание графита расплавами алюминия, алюминий-титан и алюминий-кремний. - Расплавы, 2006, < 5, с. 8-13.
Институт металлургии УрО РАН Поступила в редакцию
Екатеринбург 7 ноября 2007 г.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.