Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА. I. Состояние вопроса и постановка задач исследования
1.1. Структурообразование, как основа получения дисперсных материалов 1
1.2. Структурно-механические свойства - основные свойства дисперсных систем на начальных стадиях получения дисперсных материалов 13
1.3. Виды дефектов и неоднородностей структуры дисперсных абразивных материалов с nконтактами спекания 16
1.4. Цель и задачи исследований 25
ГЛАВА 2. Объекту и методы исследований 30
2.1. Объекты исследований 30
2.2. Методы исследований 34
2.2.1. Обоснование методов исследований 34
2.2.2. Методы расчета сил сцепления в контакте 36
2.2.3. Методы исследования структуры дисперсных абразивных материалов ^
2.2.4. Методика исследования структуры трехфазных дисперсных систем (Т-Ж-Г)
2.2.5. Приборы для исследования процессов структурообразования в двухфазных и nтрехфазных дисперсных системах 39
ГЛАВА 3. Исследование структурно-механических свойств высокодисперсных компонентов керамических связок в nдинамических условиях
3.1. Развитие теории поведения высокодисперсных порошков в вибрационном поле
3.2. Исследование реологических свойств высокодисперсных компонентов керамических связок в динамических условиях 49
ГЛАВА 4. Теоретическая модель поведения трехфазной дисперсной системы: твердая фаза - жидкая среда - газовая фаза в вибрационном поле 57
4.1. Расчет слоя жидкой среды на поверхности частиц гру-бодисперсной твердой фазы 58
4.2. Расчет степени покрытия поверхности частиц грубодис-персной твердой фазы высокодисперсным порошком 61
4.3. Теоретическая модель поведения трехфазной дисперсной системы (Т-Ж-Г) в вибрационном поле 62
ГЛАВА 5. Исследование процессов структурообразования трехфазных дисперсных систем типа Т-Ж-Г в условиях сдвигового деформирования при вибрации 70
5.1. Исследование процессов стррстурообразования трехфазных дисперсных систем с высоковязкой жидкой средой 71
5.2. Исследование процессов структурообразования трехфазных дисперсных систем с маловязкой жидкой средой 90
ГЛАВА 6. Исследование кинетики изменения структурно-механических свойств трехфазных дисперсных систем типа Т-Ж-Г (абразивных формовочных смесей) в процессе вибрационного уплотнения 106
ГЛАВА 7. Основы вибрационной технологии получения абразивных nинструментов 126
7.1. Методы и приборы исследований 126
7.1.1. Методика и приборы для исследования процесса вибрационного дозирования компонентов керамических связок 126
7.1.2. Методика и приборы для исследования процесса вибрационного смешения компонентов керамических связок 127
7.1.3. Методика и приборы для исследования процесса вибрационного смешения компонентов формовочных смесей 131
7.1.4. Методика и приборы для исследования процесса вибрационного формования заготовок шлифовальных кругов 133
7.2. Исследование процесса вибрационного дозирования ком>-понентов керамических связок 136
7.3. Исследование процесса вибрационного смешения компонентов керамических связок 145
7.4. Исследование процесса вибрационного смешения компонентов формовочных смесей 158
7.5. Исследование процесса вибрационного формования заготовок шлифовальных кругов 1б2
7.6. Сравнение структур шлифовальных кругов, полученных nпо известной и вибрационной технологии 171
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ 180
ЛИТЕРАТУРА 184
ПРИЛОЖЕНИЯ: I. Акт внедрения в промышленную эксплуатацию nвибросмесителя связок (Совместная разработка Волжского филиала ВНИИАШ, ВАЗа и ИФХ АН СССР). 214
2. Уточненный расчет экономического эффекта от внедрения вибросмесителя связок на Волжском абразивном заводе по договору № 246 от 30.04.80 (Совместная разработка Волжского филиала ВНИИАШ, ВАЗа и И$Х АН СССР). 2Y<
3. Акт испытаний вибросмесителя формовочных смесей 221
4. Зависимость производительности вибродозатора от диаметра шнека 22^
5. Матрица планирования и результаты опытов 221
6. Схема расположения лопастей 22*;
7, Ортогональный план второго порядка 228
8, Результаты промышленных испытаний керамических связок на Волжском абразивном заводе 229
9, Результаты замера твердости шлифовальных кругов 230
- Структурообразование, как основа получения дисперсных материалов
- Объекты исследований
- Развитие теории поведения высокодисперсных порошков в вибрационном поле
- Расчет слоя жидкой среды на поверхности частиц гру-бодисперсной твердой фазы
- Исследование процессов стррстурообразования трехфазных дисперсных систем с высоковязкой жидкой средой
Введение к работе
Известно, что проблема структурообразования является одной из центральных проблем современной физико-химии дисперсных систем и физико-химической механики дисперсных материалов, поскольку структура получаемых при этом дисперсных материалов определяет их физико-механические свойства /126,177,188,230/.
В ряду дисперсных материалов широкое, разнообразное применение находят материалы с керамическим связующим, получаемые в процессе обжига, с образованием контактов спекания.
Типичными и весьма важными в промышленном отношении материалами этой группы являются абразивные материалы, в которых абразивные зерна (карбида кремния, электрокорунда) скреплены в результате обжига и спекания керамическим связующим.
Традиционный подход к разработке методов получения таких материалов основан главным образом на решении конкретных технологических и конструкторских задач: в значительной степени эмпирическому подбору состава связок, а также усовершенствования смесительного и формовочного оборудования, печей, механизации трудоемких процессов. Однако тот факт, что такие материалы на всех стадиях их получения и переработки представляют собой высококонцентрированные дисперсные системы не учитывался /93, 230/.
Между тем эти материалы, вследствие высокой концентрации частиц твердой фазы Ф и сильно развитой межфазной поверхности S по сути являются объектами современной физико-химии дисперсных систем и поверхностных явлений и физико-химической механики материалов. Без учета этого важнейшего обстоятельства невозможно создать современные технологические процессы и получать дисперсные материалы с заданными свойствами.
Высокие значения fuS имеют своим следствием самопроизвольное образование пространственных структур (по П.А. Ребиндеру) на начальных стадиях технологического процесса получения абразивных материалов, как термодинамически оправданный процесс.
Следовательно, изучение кинетики процесса структурообразо-вания - необходимое условие для установления закономерностей получения таких материалов и разработки научно обоснованных путей регулирования их свойств, создания современной технологии их получения. Но именно такой физико-химически обоснованный подход до настоящего времени не был реализован в рассматриваемой области абразивного материаловедения.
Настоящая работа посвящена изучение закономерностей струк-турообразования в процессе получения таких материалов.
Работа состоит из семи глав, заключения и общих выводов.
В I главе излагается состояние вопроса, дается классификация видов дефектов и неоднородностей структуры дисперсных абразивных материалов с контактами спекания, ставится цель и задачи исследования.
Структурообразование, как основа получения дисперсных материалов
Для большинства дисперсных материалов в процессе их получения на начальных стадиях характерно сочетание двух общих особенностей, а именно: сильно развитой межфазной поверхности S и высокой концентрации частиц дисперсной твердой фазы If в жидкой и газовой дисперсных средах. Сочетание этих двух факторов приводит к самопроизвольному возникновению пространственных структур, поскольку в соответствии с принципом Гельмгольца /188/ их образование сопровождается уменьшением избыточной энергии Гиббса и соответствующим ростом энтропии системы.
Критический размер частиц твердой фазы Ос (критерий "агреги-руемости" по Н.Б. Урьеву /230/), при котором в системе самопроизвольно образуются обратимо разрушающиеся пространственные структуры с достаточно высокой механической прочностью, может быть рассчитан по формулам, изложенным в работе /230/. Применительно для двухфазных сыпучих систем: где Fe - сила сцепления частиц в контакте; р - плотность частиц; (L - ускорение свободного падения. Если размер частиц и Ос , самопроизвольное образование структур становится определяющим фактором технологии получения материалов.
Свойства таких структур определяются поверхностными явлениями на межфазных границах /187/, а их тип - по П.А. Ребиндеру /188/, видом контактов между частицами дисперсных фаз: обратимых по прочности коагуляционных контактов и непосредственно атомных контактов; необратимо разрушающихся истинных фазовых контактов или контактов переплетения;
Наряду с этими основными типами структур имеется множество различных двух- и трехфазных структур промежуточного типа Д88, 247,248,263/.
Известно, что структуры с необратимо разрушающимися истинно-фазовыми контактами могут образовываться следующими способами /188/: путем спекания;
в результате пластического деформирования;
в процессе образования новой дисперсной фаеш из переохлажденных расплавов или пересыщенных растворов;
в результате образования кристаллов новой фазы из пересыщенных растворов;
в результате охлаждения концентрированных растворов;
в результате образования новой полимерной фазы в процессе полимеризации.
В настоящее время достаточно полно изучены закономерности формирования структур дисперсных материалов с фазовыми контактами, получаемыми в результате пластического деформирования /16,19, 20,90,113,166,188,207/ образования кристаллогидратов новой фазы из пересыщенных растворов /37,105,125,127,264 /, охлаждения концентрированных растворов /62,207/, образования новой полимерной фазы /46,56,131,251/, в процессе образования новой дисперсной фазы из переохлажденных расплавов или пересыщенных растворов /87, 148,177,234/. Вместе с тем, закономерности формирования структур дисперсных материалов с контактами спекания изучены недостаточно /50,104,106,107,171,201,230/.
Независимо от того, каким способом получены дисперсные материалы с необратимо разрушающимися прочными фазовыми контактами, начальные стадии их образования характеризуются преобладанием обратимо разрушающихся структур с атомными и коагуляционными контактами между частицами дисперсных фаз /188 230/.
Типичным представителем дисперсных материалов с контактами спекания являются дисперсные абразивные материалы /96,115,134/. Такие материалы находят весьма широкое применение в народном хозяйстве в обрабатывающих отраслях Д,143,147,274/. Несмотря на важность проблемы получения таких материалов с высокими прочностными и эксплуатационными свойствами, практически отсутствуют работы по исследованию процессов их структурообразования /33/, что необходимо для разработки научно обоснованной технологии получения таких материалов с заданными свойствами.
Объекты исследований
Для изучения процессов структурообразования в двухфазных дисперсных системах типа Т-Г в качестве исходных материалов были выбраны высокодисперсные порошкообразные материалы, входящие в состав керамических связок: полевой шпат по ГОСТ 7030-75, глина огнеупорная по ТУ І4-8-І52-75, борсиликатная фритта по ТУ 11-75, тальк по ГОСТ 21234-75, а также сами керамические связки марок К5 и КЮ по 0СТ2 МТ 66-2-72. В табл. 2.1 и 2.2 приведены физические свойства исследуемых порошков и их химический состав, а в табл. 2.3 -шихтовой состав связок.
В I главе было показано, что структурно-механические свойства дисперсных систем являются основными критериями их состояния в процессах массопереноса под действием различных механических факторов. В связи с этим необходимо определить совокупность дифференциальных и интегральных характеристик структурно-механических свойств исследуемых дисперсных систем в условиях сдвигового деформирования и при вибрации.
Для выяснения закономерностей процессов структурообразования в дисперсных системах необходимо установить механизм и кинетику образования и разрушения структуры, т.е кинетику взаимодействия дисперсных фаз.
Изучение механизма поведения дисперсных систем в условиях сдвигового деформирования из-за сложности и нестационарности полей напряжений весьма затруднено. А возникающие при деформировании системы разрывы сплошности не позволяют получить полную реологическую кривую течения и определить многие реологические характеристики этих систем.
Наложение на систему вибрационного поля еще более усложняет изучение структурно-механических свойств дисперсных систем. В связи с этим, наиболее целесообразен путь, вытекающий из следующих соображений.
По Н.Б. Урьеву "Превращение исходных дисперсных фаз в дисперсную систему - структурообразование в процессах массопереноса - определяется кинетикой возникновения и разрыва связей между частицами твердой фазы, т.е. совокупностью поверхностных явлений в единице объема. Число и прочность "работающих" контактов в единице объема системы определяют ее структурно-механические (реологические) свойства и, прежде всего, реологическое сопротивление изменению объема или формы под действием приложенных напряжений" /230 е.92/.
Воздействия в совокупности вибрации и физико-химических факторов в конечном счете приводят к уменьшению числа и прочности "работающих" контактов в единице объема системы, а значит и реологического сопротивления ее деформированию или изменению объема с данной скоростью.
Следовательно, эффект действия вибрации как формы механических воздействий, также как и действия ПАВ, тем выше, чем больше связей разрушено и,соответственно, чем меньше реологическое сопротивление системы изменению формы или объема /230/.
Развитие теории поведения высокодисперсных порошков в вибрационном поле
В настоящее время большинство выполненных работ посвящено экспериментальному исследованию реологических свойств высокодисперсных порошков в динамических условиях. Так, в работах П.А. Ребиндера, Н.В. Михайлова и Н.Б. Урьева с сотрудниками /230-232, 235/ экспериментально исследованы особенности течения высокодисперсных порошков при вибрации. Детально изучены начальная и завершающая стадии уплотнения, переход из состояния псевдоожижения к виброкипению. Показано принципиальное различие в поведении грубодисперсных и высокодисперсных порошков при вибрации. Н.Б. Урьевым раскрыта роль ПАВ при вибрации и разработаны принципы управления структурно-механическими свойствами высокодисперсных порошков. M.P. Спасским, И.А. Добрушиной, И.Г. Шаталовой и Е.Д. Щукиным количественно определена доля мощности вибрационного поля, диссипируемой в уплотняемом слое порошка от общей мощности /216-218/.
А.Д. Зимоном /94,95/, В.И. Осиповым, В.Н. Соколовым /163/, Г.И. Фуксом /94/, Е.Д. Щукиным, Е.А. Амелиной, П.А. Ребиндером /264,265/ экспериментально определены силы сцепления между частицами на воздухе.
Вместе с тем, развитию теории поведения высокодисперсных порошков в вибрационном поле посвящена лишь небольшая часть работ.
Н.Б. Урьевым и Н.В. Колосовым в работе /233/ рассмотрено механическое движение двух связанных невесомой пружиной масс, моделирующих переход высокодисперсного порошка в состояние виброкипения. Авторами получены зависимости Afurj , характеризующие переход порошка в состояние виброкипения, и показано, что ни одна из характеристик не может являться универсальным критерием перехода порошка в состояние виброкипения во всем диапазоне частот.
Качественно подобный результат был получен Е.Л. Виноградовым, М.А. Макарьевым, Н.Б. Урьевым и В.М. Ямщиковым на основе анализа математической модели поведения псевдожидкости в вибрационном поле /174/. В развитие теории /233/ авторами был предложен метод и формула дяя определения уровня адгезионного взаимодействия в дисперс-ной системе /ны по параметра» перехода псевдожидкости из состоя-ния псевдоожижения в состояние виброкипения. В расчете /МАЖ /174/ было принято, что сила взаимодействия между частицами в общем слу-чае всегда обратно пропорциональна L и равняется . f tm=x/tufWf\(H-ii {зл) где Ц - энергия адгезионной связи; Zp - наименьшее расстояние, на которое могут сблизиться поверхности частиц; И - коэффициент; Co - объемная концентрация адгезионных связей; А0 - амплитуда колебаний; U/ - круговая частота колебаний; Y - плотность псевдожидкости; F/Xj - функция Кельвина.
По мере перехода системы из состояния псевдоожижения в состояние виброкипения ее объем увеличивается. Это приводит к снижению Jf, /] и увеличению расстояния между частицами 2 . Однако в работе /174/ не проводятся методы расчета расстояния между частицами и коэффициента К, отсутствие которых заврудняет использование формулы (3.1).
В настоящей работе предпринята попытка разработать метод расчета сил взаимодействия дисперсных фаз в процессе перехода порошков из состояния псевдоожижения в область кипения. За основу взята математическая модель поведения высокодисперсной системы в вибрационном поле /174/. Поскольку при переходе системы из состояния псевдоожижения в состояние кипения расстояние между частицами порошка резко увеличивается /254,255 /, то для расчета сил взаимодействия дисперсных фаз необходимо определить расстояние между частицами порошка и закон изменения сил взаимодействия от расстояния между частицами.
Расчет слоя жидкой среды на поверхности частиц гру-бодисперсной твердой фазы
Толщина слоя жидкой среды на поверхности частиц грубодисперсной твердой фазы равна:
В табл. 4.1 приведены расчетные данные толщины слоя жидкой среды на поверхности частиц грубодисперсной твердой фазы. Как видно из табл. 4.1, расчетная толщина слоя жидкой среды в зависимости от дисперсности частиц грубодисперсной твердой фазы составляет (0,5-19)»10 м. Следует учесть, что в реальных технологических процессах жидкая среда распределяется не по всей поверхности частиц, а только на части ее и поэтому истинная толщина слоя жидкой среды в местах ее локального скопления во много раз больше расчетной.
Таблица 4.1 Толщина слоя жидкой среды на поверхности частиц грубодисперсной твердой фазы
Расчет степени покрытия поверхности частиц грубодисперсной твердой фазы высокодисперсным порошком
Примем, что высоко дисперсный порошок покрывает поверхность частиц грубодисперсной твердой фазы в П слоев. Тогда где Л, - число частиц высокодисперсного порошка, приходящихся на одну частицу грубодисперсной твердой фазы, S, - площадь, занимаемая частицей порошка, [й2 - степень упаковки частиц высокодиспер-ного порошка. где ГП2 масса порошка, приходящаяся на частицу грубодисперсной твердой фазы, ГПа - масса частицы порошка, Ка - процент содержания порошка по отношению к грубодисперсной твердой фазе, Ve - объем частицы порошка, jf2 - плотность частицы порошка.
Если частица имеет форму куба, то
Как видно из табл. 4.2, связующее покрывает поверхность гру-бодисперсных частиц твердой фазы в несколько слоев от I до 10. Следует отметить, что в реальных условиях технологического процесса связующее распределяется неравномерно по новерхности абразивных зерен. Таким образом, в результате последовательного нанесения жидкой среды и связующего на поверхность грубодисперсных частиц твердой фазы образуются микрогранулы, состоящие из абразивных зерен, покрытых слоем жидкой среды и несколькими слоями высокодисперсного связующего. Следует отметить, что это характерно особенно для начальной стадии процесса смешения компонентов формовочной смеси.
Исследование процессов стррстурообразования трехфазных дисперсных систем с высоковязкой жидкой средой
Как видно из рис. 5.1, в отсутствие вибрации (кривая I) эффективная вязкость дисперсной системы в начале резко возрастает за короткий промежуток времени! 1с до достижения максимального значения t\ tiHAt соответствующего предельному напряжению сдвига Рщх , а затем постепенно падает в потоке с появлением локальных разрывов сплошности /230,231/, характеризующихся периодически повторяющимися спадами и возрастаниями эффективной вязкости в узком интервале времени. Физическая картина этого процесса состоит в следующем. В процессе деформации дисперсной системы, вследствие нарушения континиума в изменении скорости по сечению зазора между коаксиальными цилиндрами, происходит образование в системе локальных объемов, ограниченных поверхностями скольжения /230/. В результате относительного перемещения слоев в зоне разрыва периодически возникают контакты между частицами, которые затем вновь разрываются. В силу этого и наблюдаются периодически повторяющиеся спады и возрастания эффективной вязкости дисперсной системы, носящие "пилообразный" характер. Внутри же объемов деформируемой системы, ограниченных поверхностями разрывов сплошности, структура не разрушается и возникающие до начала деформаций контакты между частицами дисперсных фаз сохраняются. Естественно, что изменение вязкости после появления разрыва следует рассматривать лишь как качественную характеристику процесса деформации. Такого рода процесс сдвигового деформирования характерен для операций смешения различных компонентов и, в силу этого, поведение дисперсной системы в зазоре между коаксиальными цилиндрами в известной степени моделирует операцию смешения.
При последующей деформации с постоянной скоростью деформации Ш-%01сЛ соответствующей скорости деформации в реальных смесительных аппаратах /36,52,59,74/, образовавшиеся ранее разрывы сплошности не устраняются. Наличие объемов структуры, ограниченных поверхностями разрывов с неразрушаемой при деформации структуры означает, что и при перемешивании смесей внутри таких объемов не происходит перераспределения компонентов и сохраняется та степень неоднородности, которая соответствовала моменту возникновения структуры в трехфазной системе /230,231/. Следовательно, в этом случае не происходит предельного разрушения структуры во всем объеме /230/. Структура при этом получается неоднородной с характерными дефектами в виде "незалеченных" разрывов сплошности, что отчетливо видно на рис. 5.2.
С наложением вибрационного поля эффективная вязкость дисперсной системы резко возрастает, что объясняется ее уплотнением и устранением разрывов сплошности. Последующее снижение ftv есть следствие объемного разрушения структуры в результате совместного воздействия вибрации и сдвиговой деформации. Было установлено, что характер разрушения структуры в дисперсной системе зависит от параметров вибрации. При наложении вибрации с частотой колебаний 15 Гц и амплитудой 0,0045 м (кривая 2) эффективная вязкость исследуемой системы уменьшается относительно плавно с постепенным "залечиванием" образующихся ранее в ходе деформации разрывов сплошности и только через 600-1200 с непрерывного сдвигового деформирования устанавливается равновесный уровень эффективной вязкости. Этот уровень ниже в 1,7 раза равновесного уровня эффективной вязкости в условиях непрерывного сдвига до наложения вибрации. При вибрации с частотой колебаний 20 Гц и амплитудой 0,0025 м (кривая 3) структура дисперсной системы разрушается за t Ice одновременным "залечиванием" образовавшихся ранее разрывов сплошности. Равновесный уровень эффективной вязкости при вибрации и в этом случае значительно меньше (в 2,2 раза) равновесного уровня эффективной
Структура дисперсной системы І в пластично-вязком состоянии с разрывами сплошности в виде трещин,полученными в процессе сдвигового деформирования без вибрации, х 3000 вязкости в условиях непрерывного сдвига до наложения вибрации. При увеличении частоты колебаний до 25, 30 и 50 Гц и при соответствующем снижении амплитуды вибрации до 0,0016, 0,0011 и 0,0004 м (кривая 4) (при сохранении постоянного уровня ускорения колебаний) существенного снижения эффективной вязкости не обнаруживается. Образовавшиеся ранее, до наложения вибрации, разрывы сплошности полностью не устраняются. Равновесные уровни эффективной вязкости при вибрации с частотами колебаний 25,30 и 50 Гц оказались примерно равными и выше уровня эффективной вязкости в условиях сдвигового деформирования до наложения вибрации в 1,7-1,8 раза.
Как видно из рис. 5.1, после прекращения действия вибрации с частотой колебаний 15 Гц и амплитудой 0,0045 м происходит медленное 3atsV0c тиксотропное восстановление структуры в потоке до уровня более высокого, чем равновесный уровень ее разрушения при вибрации, но более низкого, чем равновесный уровень разрушения структуры в потоке перед приложением вибрации. После прекращения действия вибрации с частотой колебаний 20 Гц и амплитудой 0,0025 м происходит также медленное за tsl%0-240c тиксотропное восстановление структуры, но до более высокого уровня, чем равновесный уровень разрушения структуры перед приложением вибрации. Максимальное значение эффективной вязкости, достигнутое в процессе тиксотропного восстановления структуры в 1,8 раза превосходит равновесный уровень эффективной вязкости структуры перед приложением вибрации. С течением времени в процессе сдвигового деформирования наблюдается снижение эффективной вязкости.
