1.2. Фізичні властивості

Розміри частинок і їх гранулометричний склад. Розмір частинок – одна із самих важливих характеристик порошків, оскільки здебільшого визначає технологічні властивості порошків, режими їх пресування і спікання, а також кінцеві властивості виробів. Саме потрібний розмір частинок порошку часто обумовлює методи і режими його отримання. Широко застосовувані в практиці порошкової металургії порошки можуть мати розміри частинок від 0,1 до 500 мкм. Залежно від розміру частинок їх поділяють на грубі (150…500 мкм), середні (40…150 мкм), надтонкі (менше 0,5 мкм). Варто зазначити, що жоден метод не дозволяє отримати частинки одного розміру. У зв’язку з цим для характеристики порошків зручно користуватись гранулометричним складом – відносним умістом фракцій частинок різних розмірів, який можна подати у вигляді таблиці чи графіка в координатах A – d_сер чи F – d_сер. Величина А являє собою масову частку фракції із середнім розміром частинок d_сер. У свою чергу,

де – відповідно максимальний і мінімальний розміри частинок порошку в цій фракції в разі визначення їх ситовим аналізом.

Для визначення середнього розміру частинок порошків застосовують методи, характеристики яких наведено в табл.1.1.

Широкого застосування набули ситовий, мікроскопічний і седиментаційний аналізи. Сутність ситового аналізу полягає в розсіянні певної наважки порошку на наборі сит з розмірами отворів полотна сита від 1000 мкм до 40 мкм, розміщених у послідовності 1000 , 900, 800, 500, 450, 315, 250, 180, 160, 125, 100, 80, 71, 63, 56 і 40 мкм. Можливе також проведення ситового аналізу на мікропрецензійних ситах (табл. 1.1). Ситовий аналіз застосовують для аналізу порошків з розміром частинок понад 40 мкм. Середній розмір частинок порошків кожної фракції, тобто порошку, що залишився на одному із сит, визначають за співвідношенням

де , – розмір частинок відповідно верхнього сита і сита, на якому затримався порошок.

При цьому фракції позначають так: Наприклад, фракція порошку, що просіявся крізь сито з розміром частинок 180 мкм, але затримався на ситі з розміром частинок 160 мкм, позначають як –180 +160, що відповідає номерам сит – 018 + 016.

Мікроскопічний аналіз дає достатньо повне уявлення про гранулометричний склад порошків і однозначно про їх форму. Достовірність методу багато в чому залежить від якості приготування препарату порошку. Необхідно, щоб у поле зору попадала найбільша кількість відособлених частинок. Процес отримання такого препарату ускладнюється зі збільшенням дисперсності порошків у зв’язку з їх великою поверхневою енергією і здатністю до агломерації. За мікроскопічного аналізу гранулометричного складу порошку важливою є кількість виміряних частинок. Для дисперсних порошків оптимальна кількість становить 500 – 600 і зростає зі збільшенням проміжку дисперсності.

Таблиця 1.1

Методи визначення розміру частинок

Метод	Розмір вимірюваних частинок, мкм
Інтегральні методи
Сепараційні методи Ситовий аналіз: стандартні сита	Понад 20
прецизійні сита	5...100
Повітряно-сепараційний аналіз: гравітаційна класифікація	5...40
відцентрова класифікація	1...60
Седиментаційні методи Гравіметрична седиментація: метод накопичення осаду	0,5...70
піпеточний метод	1...60
Концентраційні методи Фотоседиментація	0,1...500
Фотоседементація у відцентровому полі	0,05...10
Метод поглинання рентгенівського випромінювання	0,03...1000
Диференційні методи
Рахувальні методи Кондукторометричний метод	0,4...1200
Лазерно-променевий метод	0,1...2000
Оптична мікроскопія	1...100
Електронна мікроскопія	0,004...1

За розмір частинок для наочного визначення беруть максимальну хорду, для автоматичного підрахунку – хорду у вертикальному чи горизонтальному напрямах. У разі дуже нерівномірних частинок, для яких значення нерівності більше 3, вимірювання проводять у двох напрямах. Мінімально допустимі для такого аналізу розміри частинок порошків визначають збільшенням, тобто роздільною здатністю мікроскопа. На оптичних мікроскопах з використанням імерсійної оптики можна з достатньою точністю вимірювати частинки розміром 0,6….0,8 мкм. Для вимірювання дрібніших частинок застосовують електронні мікроскопи з великим збільшенням. За допомогою електронного мікроскопа встановлюють розміри частинок аж до 1,0 нм.

Седиментаційний аналіз, як і мікроскопічний, застосовують здебільшого для визначення розмірів частинок дисперсних порошків. Він ґрунтується на законі Стокса – залежності між розмірами частинок і швидкістю їх осадження у в’язкій рідині:

де – швидкість осадження, м/с; – радіус частинок, м; – густина відповідно матеріалу частинок і рідини, кг/м³; – прискорення сили тяжіння, м/с²; h – в’язкість рідини, кг/(м×с).

Швидкість осідання частинок у суспензії визначають або гравіметричним методом, або за поглинанням і розсіюванням світла суспензією в часі (фотоседиментаційний аналіз). Седиментаційний аналіз виконують у полі сил тяжіння і в полі відцентрових сил. У відцентрових приладах нижня межа вимірювання зменшується (табл.1.1).

Форма частинок порошків – одна з важливих характеристик порошків. Вона може бути сферичною, краплеподібною, неправильною, осколковою, дендритною, тарілчастою, лускоподібною і обумовлюється методом отримання порошку (рис.1.1). Наприклад, сферичну і краплеподібну форму мають порошки, отримані розпиленням розплавів газами, грануляцією у воду, деякими газофазними методами. Неправильна, губчаста форма характерна для порошків, що отримані відновленням і являють собою конгломерат дрібніших частинок. Форма у вигляді осколка, що притаманна крихким матеріалам, зумовлена механічним подрібненням. Дендритну форму мають порошки, отримані за певних режимів електролізом водних розчинів солей металів. Для цієї форми частинок характерна

висока активність, спричинена розвинутою поверхнею. Тарілчасту форму зазвичай отримують застосуванням методів, основаних на самоподрібненні, наприклад, вихровому розмолі. Лускоподібну, пласку форму мають частинки порошків, отримані методами, що ґрунтуються на механізмі стирання. Ця форма частинок найбільш характерна для пластичних матеріалів.

Рис.1.1. Форма частинок: а – голчаста; б – вугловата; в – дендритна;

г – асиметрична; д – вузлувата; е – сферична; ж – волокниста;

к – пластинчаста; л – конгломератна

Поряд з наведеними характеристиками форм частинок порошки атестують також за нерівновісністю частинок–співвідношенням розмірів частинок у двох перпендикулярних напрямах. Значення нерівновісності може змінюватись від 1,0 до 1,2 для сферичних порошків, до 5,0 і більше – для краплеподібних та лускоподібних. Форма частинок визначає також технологічні властивості порошків, а отже, режими їх пресування, спікання, властивості пресовок і, певною мірою, властивості готових виробів. Вплив форми частинок на вказані характеристики розглянуто нижче.

Форму частинок порошків визначають за допомогою оптичних чи електронних мікроскопів на спеціально приготованих препаратах із суміші порошків і дисперсійних середовищ (гліцерину, скипидару).

Під питомою поверхнею розуміють поверхню одиниці маси (об’єму) порошку (одиниця виміру – м²/г(м²/см³)). Визначальний вплив на питому поверхню справляють розмір і форма частинок порошку. Чим більше неправильна форма частинок порошку і менший їх розмір, тим більша питома поверхня. Питома поверхня також залежить від методу отримання порошку.

Так, серед частинок однакового середнього розміру найбільшу питому поверхню мають порошки, отримані електролізом водних розчинів солей металів за режимів, що забезпечують ріст кристалів дендритної форми. Питома поверхня найпоширеніших у порошковій металургії порошків зазвичай змінюється від 0,01 до 10 м²/г і більше. Питома поверхня порошку визначає умови формування і спікання виробів. Збільшення питомої поверхні сприяє поліпшенню формування порошку, проте одночасно й погіршує спресованість внаслідок великого тертя між частинками. Велика питома поверхня визначає також високу активність порошку під час спікання за рахунок високої концентрації дефектів у ньому. Однак останнє сприяє адсорбуванню на поверхні частинок газів, вологи, підвищенню хімічної активності та зниженню корозійної стійкості, що необхідно враховувати під час роботи з такими порошками.

Визначення питомої поверхні порошків – важливий момент у практиці порошкової металургії. Крім того, питома поверхня є найбільш зручним контрольованим параметром процесу отримання порошків подрібненням чи іншими методами.

Питому поверхню порошків визначають здебільшого за двома методами. Метод БЕТ ґрунтується на адсорбуванні пари метанолу (CH₃OH) за кімнатної температури чи пари азоту за температури мінус 195°С молекулярним прошарком на поверхні випробовуваного порошку. Знаючи кількість речовини, адсорбованої наважкою порошку, можна визначити його питому поверхню. Тривалість визначення питомої поверхні за методом БЕТ у разі адсорбції пари метанолу – 1…2 год, адсорбції азоту – 5…6 год.

Менш точним, але швидшим є метод визначання питомої поверхні, оснований на фільтрації газу через прошарок порошку. Швидкість фільтрації обернено пропорційна квадрату питомої поверхні фільтрувального прошарку. Для визначення питомої поверхні за цим методом можна використовувати прилади В. В. Товарова чи Б. В. Дерягіна. У першому випадку фільтрація газу відбувається у молекулярному режимі за атмосферного тиску, а в другому – за зниженого тиску (0,7…1,1 Па) у так званому кнудсенівському режимі, коли довжина вільного пробігу молекули газу більша від лінійного розміру пор. Останній метод найбільш прийнятний для визначення питомої поверхні сферичних порошків, оскільки кнудсенівський режим руху газу порушується в лабіринтових безвихідних порових каналах.

Пікнометрична густина характеризує пористу і зернисту структури частинок порошків і, як правило, за відсутності домішок, нижча за теоретичну щільність матеріалу порошку. Останнє зумовлено тим, що під час отримання порошку всередині частинок може утворюватись закрита пористість. За фізико-хімічних методів отримання порошків пористість спричиняється конгломеруванням більш дрібних частинок, дефектами кристалічної будови, а за методом розпилення розплавів – утворенням газових порожнин унаслідок інтенсивного виділення газоподібних продуктів взаємодії компонентів розплаву з енергоносієм ( наприклад, СО₂ ), зумовлених взаємодією вуглецю у вуглецевмісних розплавах з киснем повітря. За інших однакових умов зниженню густини порошків також сприяє їх окиснення (наявність у них оксидів основного металу).

Пікнометрична густина порошків певною мірою може визначати їх поведінку під час пресування і спікання. Так, низька щільність, зумовлена пористістю, знижує деформацію частинок під час їх пресування, а наявність мікропор активізує процес спікання.

Найпоширеніший метод визначення щільності порошків – пікнометричний. Сутність його полягає в тому, що об’єм порошку, потрібний для визначення його щільності, визначають за допомогою спеціальної пробірки з відомим об’ємом – пікнометра. Пікнометр заповнюють порошком і рідиною з відомою густиною, яка не взаємодіє з порошком і змочує його (найчастіше чотирихлористим вуглецем чи спиртом).

Об’єм порошку розраховують як різницю об’ємів пікнометра і рідини. Для підвищення точності визначення об’єму порошку необхідно ретельно дегазувати пікнометр (найкраще вакуумуванням).

Пікнометричну щільність визначають за формулою

де ,– маса відповідно пікнометра, пікнометра з порошком, пікнометра з порошком і рідиною; – об’єм пікнометра;– густина рідини при температурі досліду.

Мікротвердість порошку є характеристикою стану кристалічної гратки матеріалу порошку чи наявності домішок у ньому. Зазвичай мікротвердість порошків дорівнює або вища за виміряну для матеріалів в умовах рівноваги. Підвищенню мікротвердості порошків сприяє наклеп у разі отримання їх механічними методами, гартуванням, розчиненням газів (кисню, азоту, водню), вуглецю з утворенням твердих розплавів чи відповідних сполук, що мають, як правило, вищу мікротвердість, ніж матеріал, що їх утворив. Мікротвердість – ступінь здатності до деформування порошків. Чим вища твердість (мікротвердість), тим більший опір стисканню матеріалу порошку і гірша здатність до ущільнення під час пресування. Крім того, висока твердість порошків сприяє поліпшенню їх абразивних властивостей, а, отже підвищенню зносу прес-інструмента.

Підвищена мікротвердість, зумовлена наклепом, за інших однакових умов сприяє інтенсифікації процесу спікання виробів, спресованих з порошків, що схильні до підвищеної концентрації дефектів у них.

Мікротвердість вимірюють за стандартною методикою на мікротвердомірах ПМТ-3М, ПМТ-5. Для цього готують шліф з препарату, приготованого змішуванням порошку з твердіючою рідиною (АКР з пероксидом бензолу, епоксидна смола з отверджувачем, бакелит). Навантажування для вимірювання вибирають таким чином, щоб відстань від відбитка до краю зерна була не меншою за 1,5 діагоналі відбитка. За високих значень мікротвердості проводять відпал порошку.