Фрезерование энергии/скорости

Легко понять, что чем быстрее мельница вращается, тем выше будет энергия, вводимая в порошок. Это объясняется тем, что кипящая энергия измельчаемой среды (Е = 1/2 мв2, где m - масса, а v - относительная скорость шлифовальной среды) сообщается порошку, измельченному. Следовательно, кинетическая энергия, подаваемая в порошок, выше при более высоких относительных скоростях шлифующей среды. Однако в зависимости от конструкции мельницы существуют определенные ограничения на максимальную скорость, которая может быть использована. Например, в обычной шаровой мельнице увеличение скорости вращения увеличит скорость перемещения шаров. Выше критической скорости шарики прикреплены к внутренним стенкам флакона и не падают вниз, чтобы приложить силу удара. Поэтому максимальная скорость должна быть чуть ниже этого критического значения, чтобы шарики падали с максимальной высоты, чтобы получить максимальную энергию столкновения.

Другим ограничением максимальной скорости является то, что при высоких скоростях (или интенсивности измельчения) температура флакона может достигать высокого значения. Это может быть выгодным в некоторых случаях, когда требуется диффузия для содействия гомогенизации и / или легирования в порошках. Однако в некоторых случаях такое повышение температуры может быть недостатком, поскольку повышенная температура ускоряет процессы трансформации и приводит к разложению пересыщенных твердых растворов или других метастабильных фаз, образующихся во время измельчения. Кроме того, образующиеся высокие температуры также могут загрязнять порошки. Сообщалось, что при образовании нанокристаллов средний размер кристаллов увеличивается, а внутренняя деформация уменьшается при более высоких интенсивностях измельчения вследствие повышенных тепловых эффектов и последующей динамической рекристаллизации. Максимальная максимальная температура на разных типах мельниц различна, и их значения могут сильно различаться. (Этот аспект подробно обсуждается в главе 8.)

Еще одним недостатком увеличенной скорости фрезерования является чрезмерный износ фрезерных инструментов (шлифовальная среда и контейнер), что также может привести к увеличению загрязнения порошком. Выход порошка также может быть ниже, если порошок застревает на внутренних стенках фрезерного контейнера из-за увеличения холодной сварки, вызванного более высокой степенью пластической деформации.

Важно понимать, что изменение скорости измельчения на всех типах мельниц может оказаться невозможным. Например, хотя мельницы SPEX обычно работают с постоянной скоростью, скорость вращения вращающегося диска и контейнеров может быть изменена в Fritsch Pulverisette. Аналогичным образом, изменяя положение и интенсивность магнитов, интенсивность фрезерования, а также характер сил (сдвиг, удар или их комбинация) могут быть изменены в мельнице Uni-Ball.

Как уже упоминалось в главе 4, диск и флаконы могут вращаться либо в одном направлении (в нормальном направлении), либо в противоположном направлении (в противоположном направлении). В зависимости от направления, в котором они двигаются, энергия удара, получаемая шарами, будет меняться. Mio et al. исследовали влияние скорости вращения диска и соотношения скоростей флакона и диска на удельную энергию удара шаров и эффективность измельчения талька в планетарной шаровой мельнице. Они отметили, что удельная энергия удара возрастает с увеличением скорости вращения диска (в исследованном диапазоне 300-600 об / мин). Но самое высокое полученное значение было около 15 кДж / с.кг, когда направление вращения было нормальным и достигало 80 кДж / с.кг, когда диск вращался в противоположном направлении. В связи с этим они пришли к выводу, что вращение флакона в противоположном направлении к вращению диска было более эффективным при тонком измельчении материалов, а также в его механохимической активации. В качестве примера они показали, что тальк аморфизован за 2 мин, когда измельчение было выполнено в противоположном направлении, и потребовалось более 8 мин, когда измельчение было сделано в нормальном направлении. Сообщалось также, что удельная энергия удара шаров быстро увеличивается с отношением оборотов (скорости вращения флакона) и оборота (диска) при фрезеровании в противоположном направлении, в то время как для нормального направления имеется только постепенное (И медленно). При критическом соотношении скоростей удельная энергия шаров достигла наивысшего значения; Поэтому желательно прокаливать порошок в этом отношении. Это соотношение зависит от радиуса вращающегося диска, но в большинстве случаев оно составляет около 2.

Некоторые исследователи предпочитают использовать термин интенсивность измельчения, а не скорость измельчения или энергию измельчения для описания фазовых изменений, которые происходят при легировании. Chen et al. определил интенсивность фрезерования как функцию BPR (= Mb / Mp), а скорость и частоту шаров:

где Mb - масса шара, Vmax - максимальный Скорость шара, f - частота соударения, Mp - масса порошка во флаконе. Таким образом, интенсивность фрезерования быстро возрастает с частотой удара, скоростью и массой шаров. Используя это как параметр, Pochet et al. установлена ​​зависимость индуцированного преобразования порядок-беспорядок от интенсивности измельчения и температуры измельчения. Gonzalez et al. модифицировал мельницу SPEX для изменения частоты вибрации в диапазоне 1000-3500 Гц. Они отметили, что при высоких ударных частотах (3000 об / мин) твердый раствор, образовавшийся в порошковой смеси Fe-15 вес.% Al после 1 ч размола, тогда как на низких частотах (1800 об / мин) образование сплава не было полным даже после 5 Ч фрезерования. Таким образом, для одной и той же мельницы и шаров формирование сплава может быть достигнуто в более короткие периоды фрезерования на более высоких частотах.

Calka et al. сообщил, что, когда порошки ванадия и углерода размалывались вместе при разных уровнях энергии (путем регулирования положения магнитов на мельнице UniBall), конечная структура порошка была иной. Например, при очень низкой энергии измельчения (или скорости) порошок состоял из нанометровых зерен ванадия и аморфного углерода, который при отжиге образовывал либо V2C, либо смесь V + VC. При промежуточном уровне энергии в измельченном порошке содержалась наноструктура, которая при отжиге превращалась в VC. На самом высоком уровне энергии карбидная фаза, VC формируется непосредственно при фрезеровании. Аналогично, полностью аморфная фаза, сформированная в порошковой смеси Ni-Zr при высокой энергии измельчения, тогда как смесь кристаллической и аморфной фаз образуется при низких и промежуточных энергиях измельчения.

El-Eskandarany et al. изучали влияние скорости фрезерования в мельнице Fritsch Pulverisette 5. Они сообщили, что время, необходимое для образования аморфной фазы в системе Co-Ti, уменьшается с увеличением скорости вращения. Например, хотя для образования аморфной фазы со скоростью 65 об / мин потребовалось 200 ч, она потребовала всего 100 ч при 125 об / мин и 24 ч при 200 об / мин. Они наблюдали циклическое кристаллическое-аморфно-кристаллическое превращение при непрерывном измельчении.

Влияние скорости измельчения при фрезеровании порошкообразной смеси Fe-7 вес.% C-6 вес.% Mn в планетарной шаровой мельнице было исследовано на трех разных скоростях 80, 100 и 120 оборотов в минуту Rochman et al. Они отметили, что твердая растворимость углерода в железе возрастает с увеличением скорости работы мельницы за одно и то же время измельчения. Например, они сообщили, что на 100 ч размола твердая растворимость С в а-Fe составляла 0,2 ат.% При 80 об / мин, 0,5 ат.% При 100 об / мин и 1,3 ат.% При 120 об / мин. (Самая высокая твердая растворимость C в a-Fe была упомянута как 1,3 вес.% (Не в%) в более ранней ссылке.)

Eckert et al. сообщили, что природа фазы, сформированной в механически сплавленной порошковой смеси Al-Cu-Mn, была различной в зависимости от интенсивности измельчения в Fritsch Pulverisette 5. Они сообщили, что аморфная фаза, образовавшаяся при смешивании элементарной порошковой смеси, Размалывается с интенсивностью 5 и равновесная интерметаллическая фаза формируется с интенсивностью 9. Квазикристаллическая фаза образуется при промежуточных интенсивностях. Эти результаты были объяснены на основе повышенной температуры, испытываемой порошком при более высоких интенсивностях измельчения. Детали этих исследований о влиянии переменных процесса будут также обсуждаться в отдельных разделах о фазах, образующихся при фрезеровании.

Риффель и Шильц исследовали легирующее поведение порошков Mg и Si в планетарной шаровой мельнице и рассмотрели оптимальные условия синтеза интерметаллида Mg2Si. Они отметили, что улучшение установки фрезы может быть достигнуто изменением отношения угловой скорости вращения планетарного колеса N к угловой скорости системного колеса V. Было найдено, что отношение N / V, составляющее по меньшей мере 3 Для компенсации эффектов скольжения.

Bab et al. исследовал поглощение азота в Hf при MA в Retsch MM2 горизонтальной осцилляторной шаровой мельнице и отметил, что количество поглощенного азота на частоте 21 Гц было в несколько раз меньше, чем для более высоких частот, что свидетельствует о диффузии азота в металл Решетка была ограничена скоростью образования свежих поверхностей и дефектов решетки при фрезеровании. Delogu et al. отметил, что изменение интенсивности измельчения влияет только на скорость, с которой протекает реакция, а не на основные особенности процесса трансформации. Аналогичный результат был также сообщен для тройной смеси порошков Cu-Fe-Co Galdeano et al., который отметил, что существенного влияния интенсивности измельчения на измельченную наноструктуру не было.

Герасимов и др. проводил МА сплавов Zr-Co в планетарной шаровой мельнице при ускорениях 300, 600 и 900 м / с2, а также используя стальные шары диаметром 5, 7 и 10 мм. Они отметили, что увеличение кинетической энергии шаров за счет увеличения их диаметра и / или скорости вращения флаконов привело к повышению степени кристалличности измельченных образцов. Соответственно смешанная элементарная порошковая смесь Zr-33 при% Co стала полностью аморфной только в самых «мягких» условиях фрезерования - центробежном ускорении 300 м / с2 и диаметре шарика 5 мм. При всех других условиях измельчения аморфизация была либо неполной, либо получена смесь равновесных кристаллических фаз.

Механическое легирование и фрезерование (MA / MM) являются важными методами обработки для синтеза метастабильных фаз, включая аморфные фазы, пересыщенные твердые растворы и другие. Однако неоднократно было показано, что только «мягкие» условия помола (т.е. низкая энергия измельчения, более низкие значения BPR, меньшие размеры и более легкие измельчающие среды) производят метастабильные фазы в целом, а менее метастабильные (в том числе равновесные) фазы Когда используются жесткие условия измельчения. Например, метастабильная кубическая фаза высокого давления, образующаяся при измельчении порошковой смеси Cu-In-Ga-Se со скоростью 150 об / мин в Fritsch Pulverisette 5, в то время как равновесная тетрагональная фаза образуется при измельчении порошковой смеси при 300 об / мин.

Время фрезерования

Время измельчения является одним из важнейших параметров при фрезеровании порошков. Обычно время выбирают для достижения устойчивого состояния между разрывом и холодной сваркой частиц порошка для облегчения легирования. Необходимое время зависит от типа используемой фрезы, настроек фрезы, интенсивности фрезерования, BPR и температуры фрезерования. Необходимое время должно быть определено для каждой комбинации вышеуказанных параметров и для конкретной рассматриваемой системы порошков. Однако следует понимать, что уровень загрязнения увеличивается, а некоторые нежелательные фазы образуются, если порошок измельчается гораздо дольше, чем требуется, особенно в реакционноспособных металлах, таких как титан и цирконий. Поэтому желательно, чтобы порошок размалывался как раз в течение требуемой продолжительности и не более. Как правило, можно оценить, что время, затрачиваемое на достижение установившихся условий, является коротким для высокоэнергетических мельниц и дольше для мельниц с низкой энергией. Опять же, времена короче для высоких значений BPR и дольше для низких значений BPR.

Шлифовальная среда

В этом разделе мы обсудим детали эффективности легирования, основанные на характере шлифующей среды, а также ее размере и распределении по размерам. Закаленная сталь, инструментальная сталь, закаленная хромовая сталь, закалённая сталь, нержавеющая сталь, WC-Co и подшипниковая сталь являются наиболее распространенными типами материалов, используемых для шлифовальной среды. (См. Таблицу 12.1 для деталей измельчающих сред, используемых в различных исследованиях при формировании аморфной фазы.) Плотность шлифующей среды должна быть достаточно высокой, чтобы шарики создавали достаточную ударную силу на порошок, чтобы повлиять на легирование. Однако, как и в случае мелющего сосуда, для шлифовальной среды используются специальные материалы; К ним относятся медь, титан, ниобий, диоксид циркония (ZrO2), агат, YSZ, частично стабилизированный диоксид циркония + иттрия, Сапфир, нитрид кремния (Si3N4) и Cu-Be. Желательно, когда это возможно, иметь измельчающий сосуд и измельчающую среду, изготовленные из того же материала, что и порошок, измельченный во избежание перекрестного загрязнения измельченного порошка (см. Также главу 15).

Важным параметром является материал шлифовальной среды. Чем выше плотность шлифовальной среды, тем больше кинетической энергии она получает при фрезеровании, и это может быть передано порошку. Таким образом, WC-шарики часто используются вместо стали для получения более высокой энергии удара. Gonzalez et al. сравнили эффективность измельчения стальных и WC шлифовальных сред при фрезеровании порошков Fe-50 на% Co и отметили, что в обоих случаях после 5 часов фрезерования образуется твердый раствор Co в Fe. Однако они отметили различия в микроструктурных свойствах конечных порошков. Они сообщили, что при использовании стальной мелющей среды был замечен процесс замешивания; Мелкие порошкообразные частицы q-Fe (форма железа высокого давления) были встроены в более крупные агломераты, то есть была получена гетерогенная структура. С другой стороны, при использовании шлифовальной среды WC был отмечен более сильный эффект истирания; Частицы порошка были более фрагментированными и выделенными. Они также отметили, что небольшие частицы оксида были обнаружены в порошках, измельченных инструментами WC, которые показали суперпарамагнитный эффект, не наблюдавшийся со стальными шариками. Это ожидаемый результат. Однако в другом исследовании эти же авторы отметили, что измельчение Fe-27 в порошках Al% с BPR 8: 1 приводило к легированию через 3 часа стальными шариками, тогда как для шаров WC требовалось 5 часов. Как правило, ожидается, что более тяжелая измельчающая среда (в данном случае WC) придает порошку большую кинетическую энергию и поэтому легирование должно происходить быстрее. Это удивительный результат, но авторы приписывают его возможным различиям во входных энергиях двух разных измельчающих сред.

Размер шлифовальной среды также влияет на эффективность измельчения. Вообще говоря, больший размер (и более высокая плотность) измельчающей среды является полезным, поскольку больший вес шаров переносит большую энергию удара на частицы порошка. Сообщалось также, что конечная структура порошка зависит от размера шлифовальной среды, используемой для фрезерования. Например, когда шарики диаметром 15 мм использовались для фрезерования смешанной элементарной порошковой смеси Ti-Al, образовался твердый раствор алюминия в титане. С другой стороны, использование шаров диаметром 20 и 25 мм приводило к смешению только титановой и алюминиевой фаз (и не происходило никакого сплавления), даже после длительной продолжительности фрезерования. В другой серии исследований сообщалось, что аморфная фаза может быть получена быстрее в сплавах Ti-Al с использованием стальных шаров диаметром 3/16 дюйма, чем при использовании шаров диаметром 3/4 дюйма. Фактически, в некоторых случаях аморфная фаза не была получена, и только стабильное кристаллическое соединение образовалось при фрезеровании с помощью крупных стальных шаров. В еще одном исследовании сообщалось, что аморфная фаза образуется только тогда, когда порошковая смесь Ti-Al перемалывается с использованием шариков 5- или 8-миллиметрового диаметра; Аморфная фаза не формировалась, когда для измельчения использовались шарики диаметром 12 мм. Аналогичная ситуация была также отмечена в системе Pd-Si, где сообщалось, что меньший размер шара благоприятствует образованию аморфной фазы. Было высказано предположение, что меньшие шарики создают интенсивное фрикционное действие, которое способствует образованию аморфной фазы.

Сообщалось также, что использование меньших шариков (диаметр 4,8 мм) приводило к образованию большего количества твердого раствора на основе Cr, чем при использовании более крупных шариков (диаметром 8,8 мм). Было высказано предположение, что более крупные шарики дают более высокую температуру, что приводит к разложению метастабильного твердого раствора. Они также сообщили, что размер зерен твердого раствора был более тонким, когда использовались меньшие шарики. Более быстрая кинетика также ожидается при использовании больших шаров, потому что энергия удара выше.

Фактически, как упоминалось ранее, кажется, что условия мягкого измельчения (меньшие размеры шара, более низкие энергии и более низкие значения BPR) благоприятствуют образованию метастабильных фаз (аморфных или метастабильных кристаллических фаз), в то время как условия жесткого измельчения позволяют формировать менее метастабильные или даже равновесные фазы.

Хотя большинство исследователей обычно используют только один размер измельчающей среды, были случаи, когда шарики разных размеров использовались в одном и том же эксперименте. Было предсказано, что наибольшая энергия столкновения может быть получена при использовании шаров разного диаметра, что, скорее всего, связано с интерференцией шаров разного диаметра. На начальных стадиях измельчения порошок, который размалывается, покрывается на поверхности шлифующей среды и также подвергается холодной сварке. Это является преимуществом, поскольку оно предотвращает чрезмерный износ шлифующей среды и предотвращает загрязнение порошка из-за износа шлифующей среды. Однако толщина этого слоя должна быть сведена к минимуму, чтобы избежать образования гетерогенного конечного продукта. Недостатком этого порошкового покрытия является то, что его трудно отделить, и поэтому выход порошка является низким. Также сообщалось, что комбинация больших и малых шариков во время фрезерования сводит к минимуму количество холодной сварки и количество порошка, нанесенного на поверхность шаров. Хотя нет никаких конкретных объяснений в отношении повышенного выхода в этих условиях, возможно, что шарики разных размеров вызывают сдвигающие силы, которые могут помочь в отделении порошка от поверхности шариков.

Также сообщается о различном эффекте использования смеси разных размеров измельчающих шаров. Исследуя синтез Mg2Si из элементарной смеси Mg и Si в различных экспериментальных условиях, было отмечено, что лучшие результаты были получены при фрезеровании шарами упрочненной стали диаметром 10 мм. Использование шаров большего диаметра приводило к значительному увеличению загрязнения железа, в то время как измельчение шарами меньшего диаметра не приводило к получению достаточной кинетической энергии для достижения легирования. Более конкретно, они заметили, что смесь шариков разного размера не улучшила процесс измельчения, отметив, что если бы были большие различия в размерах шаров, меньшие шары могли бы даже быть уничтожены более крупными.

Было показано, что использование шлифовальных шариков одного и того же размера в круглом или плоскодонном флаконе приводит к образованию следов. Следовательно, шарики катятся по хорошо определенной траектории, вместо того, чтобы случайно ударять по торцам. Поэтому для «рандомизации» движения шаров необходимо использовать несколько шаров, как правило, комбинацию меньших и больших шаров.

Весовое состояние шара

Отношение массы шаров к порошку (БНР), иногда называют коэффициент заряда (кл), является важной переменной в процессе размола. Это была разнообразна разными исследователями от стоимости столь же низко как 1:1, в то время как высоко, как 1000:1. Очень высокие значения БПР являются редкостью, и ценности, такие как 1000:1 или 220:1 используются только в особых случаях для достижения определенных желаемых функций и для достижения эффекта быстрее. Хотя в соотношении 10:1 наиболее часто используется во время помола порошка в небольшой емкости, высокой энергии мельница таких как мельницы spex определяет, БНР значения в диапазоне от 4:1 до 30:1, как правило, используется. Однако, при фрезеровании производится в большой емкости, низкой энергии мельницы, как attritor, высшее БНР до 50:1 или иногда даже 100:1 используется для достижения желаемого легирования в разумные сроки. Увеличение БПР значения могут быть получены либо за счет увеличения количества (вес) шаров или снижение веса порошка. Высшее БНР также можно получить (за то же количество шаров) либо за счет увеличения диаметра шариков или с помощью высокой плотности материалов, таких как туалет, а не стали.

BPR оказывает значительное влияние на время, необходимое для достижения определенной фазы в измельченном порошке. Чем выше BPR, тем короче требуемое время, и это неоднократно показывалось в нескольких случаях. Например, образование аморфной фазы было достигнуто в порошковой смеси Ti-33 в% Al, измельченной в мельнице SPEX за 7 ч при BPR 10: 1, через 2 ч при BPR 50: 1 и в 1 Ч при BPR 100: 1. Аналогичным образом было показано, что измельчение порошковой смеси Al50Si30Fe15Ni5 в течение 40 ч при BPR 15: 1 дает аналогичные результаты при фрезеровании в течение 95 ч при BPR 10: 1. Также сообщалось, что никакого легирования не происходило в порошковой смеси Fe-Al при BPR 1: 1, когда использовалась либо стальная, либо WC-шлифовальная среда; Легирование происходило при BPR 8: 1 через 3 ч для стали и 5 ч для среды WC. При высоком BPR из-за увеличения весовой доли шаров длина свободного пробега мелющих шаров уменьшается и число столкновений в единицу времени увеличивается. Следовательно, больше энергии передается порошкообразным частицам, что приводит к более быстрому легированию. Аналогичные результаты были получены и другими исследователями. Также возможно, что благодаря более высокой энергии генерируется больше тепла, и это может повысить температуру порошка, что приведет к более быстрой кинетике легирования. Альтернативно, более высокая температура может изменить структуру порошка. В экстремальной ситуации образовавшаяся аморфная фаза может даже кристаллизоваться, если повышение температуры является существенным, или образовавшийся пересыщенный твердый раствор может разлагаться, чтобы осаждать либо переходные или равновесные фазы, либо даже достигать полного равновесия.

Позднее будет показано, что размер кристаллита во время измельчения уменьшается с увеличением времени измельчения. Часто сообщается, что BPR оказывает существенное влияние на скорость уменьшения размера кристаллитов. Рисунок 5.1a показывает, что размер кристаллита уменьшается с временем измельчения и что скорость снижения выше для более высоких значений BPR. Форма шлифовальной среды, по-видимому, не оказывает никакого влияния на скорость уменьшения размера кристаллитов. Из рисунка 5.1b видно, что при использовании шаров или стержней скорость уменьшения размера кристаллитов просто увеличивается с увеличением BPR.

Следует понимать, что использование более высокого BPR приводит к более быстрому измельчению размера кристаллита, но количество синтезированного порошка низкое. С другой стороны, использование более низкого BPR увеличивает количество порошка, но время, необходимое для достижения того же размера кристаллита, больше. Таким образом, оптимизация BPR и времени измельчения должна быть сделана для достижения определенного размера кристаллита в разумные сроки.

Детальное исследование влияния БПР на твердость порошка и средний размер частиц было проведено Ниу. Было отмечено, что микротвердость порошка увеличивалась с увеличением BPR за счет усиленной и ускоренной пластической деформации частиц порошка. Однако скорость роста микротвердости была ниже при более высоких значениях BPR. С другой стороны, средний размер частиц, как было обнаружено, первоначально уменьшался при увеличении BPR от 2: 1 до 5: 1, а затем он начал увеличиваться до максимального значения, когда показатель BPR был увеличен до 11: 1; При дальнейшем увеличении BPR наблюдалось устойчивое уменьшение. Морфология порошка также различалась при этих разных значениях BPR-flaky при соотношении 3: 1, равном 10: 1 или выше и flaky плюс equiaxed при промежуточных значениях.

Как упоминалось ранее, мягкие условия (например, низкие значения BPR, низкие скорости вращения и т.д.) Во время MA приводят к образованию метастабильных фаз, в то время как твердые условия создают равновесные или почти равновесные фазы. Аналогичным образом было также сообщено, что значение BPR оказывает существенное влияние на возникновение реакций SHS (самораспространяющийся высокотемпературный синтез). Более низкие значения BPR и более короткие времена индуцировали реакцию SHS в смеси порошков Al-Zr, тогда как более высокое BPR не индуцировало SHS-реакцию.

Важен правильный выбор BPR. В общем, чем выше показатель BPR, тем быстрее процесс MA. Однако такая более быстрая обработка также может приводить к высоким уровням загрязнения в порошок, и этого следует избегать или, по крайней мере, минимизировать.

Степень наполнения флакона

Поскольку легирующие между частицами порошка происходит в основном из-за влияния сил, действующих на них, необходимо удостовериться в наличии достаточного пространства для шары и частицы порошка свободно передвигаться в фрезерные контейнер. Поэтому, по мере наполнения флакона с порошком и шарики-это важно. Если количество шаров и порошка очень мала, то скорость производства очень низкая. С другой стороны, если количество большое, то там не хватит места для шаров, чтобы двигаться вокруг и поэтому энергия воздействия меньше. Следовательно, легирование может не произойти, и даже если это произойдет, это может занять очень много времени. Таким образом, забота должна быть проявлена, чтобы не переполнить сосуд; обычно около 50% или чуть больше флакона пространство остается пустым.

Фрезерная атмосфера

Процесс МА обычно проводят в вакууме или в инертной атмосфере для предотвращения / сведения к минимуму окисления и / или загрязнения измельченного порошка. Основной эффект измельчающей атмосферы заключается в характере и степени загрязнения порошка. Поэтому порошки измельчают обычно в емкостях, которые были вакуумированы или заполнены инертным газом, таким как аргон или гелий. (Было установлено, что азот реагирует с металлическими порошками с образованием нитридных фаз и, следовательно, не может использоваться для предотвращения загрязнения во время измельчения, если только он не заинтересован в производстве нитридов).

Обычно погрузка и разгрузка порошков во флакон осуществляется внутри вакуумированного Или перчаточные боксы с контролируемой атмосферой. Эти перчаточные ящики, как правило, многократно вакуумируются и заполняются инертным газом, таким как аргон. Некоторые исследователи даже провели фрезерную операцию на мельницах, которые были помещены в эвакуированные перчаточные боксы. Это предотвратит загрязнение атмосферы порошком в контейнере во время измельчения. Альтернативный метод заключается в загрузке порошка в контейнер на воздухе, но для вакуумирования контейнера перед началом фрезерования порошка; Это гораздо менее удобно, чем другие методы, и это не всегда возможно.

Аргон с высокой степенью чистоты является наиболее распространенной средой, используемой для предотвращения окисления и / или загрязнения порошка. Также было отмечено, что окисление может быть вообще предотвращено или минимизировано в присутствии азота. Но это не похоже на истину, когда реактивные порошки, такие как титан или его сплавы, измельчаются. Сообщается, что порошки Ti-48Al-2W (в%), измельченные в кислородной атмосфере, после 20 ч размола поглощают 1,5 вес.% Кислорода. Тот же порошок, размолотый в течение того же периода времени, но в атмосфере азота, взял 4,7 мас.% Кислорода - объяснить это трудно.

Во время фрезерования для конкретных целей использовались различные атмосферы. Для получения нитридов используется атмосфера азота или аммиака. Для получения гидридов использовали атмосферу водорода. Было показано, что наличие воздуха во флаконе приводит к образованию в порошке оксидов и нитридов, особенно если порошки являются реакционноспособными по природе. Таким образом, при фрезеровании следует соблюдать осторожность при использовании инертной атмосферы.

В дополнение к загрязнению порошка, измельчающая атмосфера влияет на кинетику легирования, поведение трансформации и характер фазы продукта. Сообщалось, что температура кристаллизации аморфного сплава Ni60Nb40, полученного на воздухе, была ниже, чем температура, полученная в гелиевой атмосфере, что является прямым следствием повышенного содержания кислорода. Аналогичное наблюдение было сделано в системе Мо-Ni. Было обнаружено, что пути трансформации различны, когда порошковая смесь сплава Ni60Ti40 была обработана в различных типах атмосферы - аргоне, воздухе или азоте. Сообщалось, что аморфная фаза может быть получена путем прямого измельчения Ni-40 в порошкообразной смеси% Ti в атмосфере аргона. Было показано, что азот оказывает лишь незначительное влияние. Но кислород, хотя и присутствует в небольших количествах, оказал значительное влияние и не образовал аморфной фазы; Вместо этого были образованы кристаллические интерметаллические фазы и оксидные фазы Ni-Ti.

Тип атмосферы также, по-видимому, влияет на характер конечной фазы. Например, было показано, что когда порошкообразные смеси Cr-Fe размалывались в разных типах атмосферы, состав конечного порошка был иным. Когда порошок размалывали в атмосфере аргона, аморфная фаза не образовывалась, и Cr-пики продолжали присутствовать в образцах XRD. С другой стороны, когда порошок размалывали либо в атмосфере, содержащей аргон, либо в атмосфере азота, порошок становился полностью аморфным. Показано, что кислород усиливает кинетику аморфизации в системе Ni-Nb. Сообщалось также, что сплавление между Ni и Nb не происходит, когда измельчение проводят в воде, спирте или ацетоне. Металл Nb образует ОЦК фазу, идентифицированную как междоузельная фаза кислорода в ниобиевой матрице. С другой стороны, когда использовался аргон, авторы отмечали образование пересыщенного твердого раствора Nb в Ni до 15 ат.% Nb.

Агенты управления процессом

Частицы порошка подвергаются холодной сварке друг с другом, если они вязкие, а иногда и чрезмерно, из-за тяжелой пластической деформации, которую они подвергаются во время фрезерования. Однако истинное легирование среди частиц порошка может происходить только тогда, когда сохраняется равновесие между холодной сваркой и разрывом частиц порошка. В порошкообразную смесь во время измельчения добавляют агент, контролирующий технологический процесс (PCA) (также называемый смазывающим веществом или поверхностно-активным веществом), чтобы уменьшить эффект чрезмерной холодной сварки. PCA могут быть твердыми, жидкими или газообразными. Они в основном, но не обязательно, органические соединения, которые действуют как поверхностно-активные вещества. Они адсорбируются на поверхности частиц порошка и сводят к минимуму холодную сварку среди частиц порошка, тем самым препятствуя агломерации. Поверхностно-активные вещества, адсорбированные на поверхности частиц, мешают холодной сварке и уменьшают поверхностное натяжение твердого материала. Энергия, необходимая для физического процесса уменьшения размера E, дается формулой

Где g - удельная поверхностная энергия, а DS - увеличение площади поверхности. Таким образом, уменьшение поверхностной энергии приводит к использованию более коротких времени измельчения для получения определенного размера частиц. Альтернативно, для данной продолжительности фрезерования будут образовываться более мелкие частицы порошка.

Характер СПС

Практически на практике использовался широкий диапазон СПС на уровне примерно 1-5 мас.% От общего заряда порошка. Наиболее важные PCA включают стеариновую кислоту, гексан, метанол и этанол. Частичный перечень СПП, используемых в различных исследованиях, и их количества представлен в Таблице 5.1. Кроме того, другие экзотические PCAs, такие как натрий-1,2-бис (додецилкарбонил) этан-1-сульфонат, литий-1,2-бисдодецилоксикарбонилсульфасукцинат, дидецилдиметиламмоний ацетат (DDAA), дидодецилдиметиламмонийбромид (DDAB), трихлортрифторэтан и другие подобные в качестве полиэтиленгликоля, додекана, этилацетата, щавелевой кислоты, борной кислоты, буры, оксида алюминия и нитрата алюминия. Большинство этих соединений имеют низкую температуру плавления и кипения (табл. 5.2), и, следовательно, они либо плавятся, либо испаряются во время измельчения из-за повышения температуры. Кроме того, они разлагаются во время измельчения, взаимодействуют с порошком и образуют интерстициальные соединения, которые в процессе измельчения вводятся в виде включений и / или дисперсоидов в частицы порошка. Таким образом, углеводороды, содержащие водород и углерод, и углеводы, содержащие водород, углерод и кислород, вероятно, вводят углерод и / или кислород в частицы порошка, что приводит к образованию карбидов и оксидов, которые равномерно диспергированы в матрице. Они не обязательно вредны для системы сплавов, так как они могут способствовать дисперсионному упрочнению материала, что приводит к повышенной прочности и повышенной твердости. После этого водород выделяется в виде газа или поглощается в металлическую решетку при нагревании или спекании. Хотя водородный газ в основном служит поверхностно-активным веществом и обычно не участвует в процессе легирования, в некоторых сообщениях указывается, что водород действует как катализатор образования аморфной фазы в богатых титаном сплавах. В некоторых других случаях водород способствует охрупчиванию порошков, и, следовательно, могут быть получены более мелкие частицы. Сообщалось также, что ПХА влияют на образование конечной фазы, изменяя уровни твердой растворимости, изменяя стеклообразующий диапазон и изменяя уровни загрязнения.

Было показано, что присутствие воздуха в контейнере для фрезерования или измельчение порошков при очень низких температурах (криомолирование) сводит к минимуму сварку, что, вероятно, связано с повышенной хрупкостью частиц порошка при таких низких температурах. Металлические порошки (с ГЦК-структурой), размолотые в атмосфере водорода, становятся хрупкими и не прилипают к самим себе или к контейнеру, вероятно, из-за образования гидридной фазы.

Количество ППК

Количество использованного PCA и тип размолотого порошка определяют конечный размер, форму и чистоту частиц порошка. Zhang et al. [110] использовали две различные ПХА-стеариновую кислоту и полиэтиленгликоль в количестве 0,5-4,0 мас.% От веса порошка для исследования их влияния на размер частиц порошка алюминия и магния, механически измельченных в планетарной шаровой мельнице. Было отмечено, что количество извлеченного порошка увеличивалось с увеличением количества ПХА и что более длительное время измельчения приводило к увеличению количества извлеченного порошка. Это было связано с уменьшением доли холодной сварки из-за использования СПС и последующим увеличением разрыва частиц порошка. Авторы также отметили, что эффективность уменьшения размера частиц была лучше при использовании стеа