МЕТОДЫ МЕХАНИЧЕСКОГО ДРОБЛЕНИЯ

Измельчение материалов дроблением (размолом или истирани­ем), являясь старейшим методом перевода твердых веществ в по­рошкообразное состояние, может применяться как самостоятельно для получения порошков, так и в качестве дополнительной опера­ции к другим методам. Наиболее целесообразно применять его при измельчении хрупких металлов (кремний, бериллий, хром, марга­нец) и сплавов (некоторые из алюминие-магниевых).

Если необходимо дробить пластичные металлы (цинк, медь, алю­миний, железо и т. п.), то сначала их переводят в хрупкое состояние, т. е. понижают пластичность и ударную вязкость.

Наиболее распространенными методами охрупчивания являют­ся термообработка и наводораживание. Водород интенсивно про­никает в металл и образует хрупкие соединения. После дробления водород можно удалить путем вакуумного отжига.

Процесс дробления твердых тел заключается в том, что под дей­ствием внешних сил в наиболее слабых местах образуются мельчай­шие трещины. В момент разрушения напряжения превышают пре­дел прочности материала, упругая деформация сменяется деформа­цией разрушения и происходит измельчение. Согласно теории дроб­ления, предложенной академиком П. А. Ребиндером, работа, затра­чиваемая на измельчение, является суммой двух энергий:

Е= σ · ʌS +КʌV,

где σ · ʌS - энергия, расходуемая на образование новых поверхностей; а - удельная поверхностная энергия; ʌS - приращение поверхности; КʌV - энергия деформации, равная работе К упругой деформации на единицу объема; ʌV - величина объема, подвергшегося деформации.

При крупном дроблении величина вновь образовавшейся поверхности невелика, так как получаемые частицы значительны по размеру. В связи с этим σ · ʌS ˂ КʌV, и расход энергии на дробление примерно пропорционален объему разрушаемого тела.

При тонком измельчении, наоборот, σ · ʌS >> КʌV и расход энер­гии приблизительно пропорционален площади вновь образовавшей­ся поверхности. Много энергии тратится на нагрев и деформацию, поэтому КПД измельчения очень мал.

Общая схема получения порошков механическим дроблением.

1. Подготовка шихты:

- предварительное грубое дробление;

- механическая обработка слитков для получения стружки;

- наводораживание.

2. Размол шихты в шаровых, вибрационных, вихревых мельницах.

3. Отжиг для снятия наклепа и удаления водорода.

ШАРОВЫЕ МЕЛЬНИЦЫ. Для грубого дробления применяют

шаровые, валковые и конусные дробилки, а также бегунки. Размер получаемых таким образом частиц находится в пределах 1...10 мм. Окончательный размол производится в шаровых, вибрационных, цен­тробежных планетарных, вихревых или молотковых мельницах. Пер­вая из них является простейшим средством для получения относитель­но мелких порошков, от нескольких до десятков микрометров. Она представляет собой вращающийся металлический барабан, загружен­ный размольными телами, представляющими собой стальные, твер­досплавные или керамические шары. В нужном соотношении в бара­бан загружается измельченный материал. Существует несколько ре­жимов измельчения, но, главное, нужно выбирать такую скорость вра­щения барабана, которая не превышала бы критическую, когда шары за счет центробежных сил будут вращаться вместе с мельницей.

,

где D - внутренний диаметр барабана, м; размер размольных ша­ров не должен превышать 1/20 D; N_Kp- критическая скорость вра­щения барабана, колеблется в пределах 30... 120 об/мин.

Для интенсифицирования процесс размола проводят в жидкой среде, которая препятствует распылению материала, особенно хруп­кого, внутри барабана мельницы и обратному слипанию частиц. Кроме того жидкость создает капиллярное давление в микротрещинах. Одной из разновидностей шаровых мельниц являются так называемые аттриторные устройства, представляющие собой непод­вижные вертикальные барабаны, в которых вращаются вертикаль­ные мешалки, увлекающие шары. Аттриторы эффективны при по­лучении ультратонких порошковых смесей.

ВИБРАЦИОННЫЕ МЕЛЬНИЦЫ. Для тонкого помола исполь­зуются вибрационные мельницы. Одна из разновидностей их пред­ставляет барабан с шарами или цилиндрами, которые перемещают­ся в различных направлениях. Колебательные движения создаются с помощью эксцентрикового вала, вращающегося со скоростью 1500...3000 об/мин. Амплитуда колебаний - 2...3 мм. Для небольших мельниц в качестве вибраторов используются электромагниты. Пре­дупреждение: вибромельницы нельзя включать незагруженными.

При распространении ультразвуковых колебаний в жидкости возникает избыточное давление газа по отношению к атмосферно­му. При этом происходит расширение и сжатие жидкости, вернее пузырьков газа в ней: они, соответственно, растут или захлопываются. Это приводит к кавитации при соотношении:

где R₀ - радиус газового пузырька; v - частота колебаний.

Генерируемые ударные волны вызывают давления в пузырьках, достигающие 1000 МПа, что и приводит к разрушению частиц. К это­му добавляется еще и эффект Ребиндера, который состоит в следую­щем: при попадании жидкости в микротрещину там за счет поверхнос­тного натяжения жидкости возникают расклинивающие силы. Этот эффект используют при обработке резанием, когда применяют специ­альные жидкости. Об этом, как правило, мало кто знает.

Существуют вихревые, струйные и другие мельницы.

Наиболее дешевым способом получения порошков является распыление расплавленного металла.