CC BY
35
УДК 621.762.002
ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В МАГНИТООЖИЖЕННОМ СЛОЕ
© 2013 г. И.Н. Егоров, Н.Я. Егоров, А.И. Черный
Егоров Иван Николаевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Физика», Донской государственный технический университет. E-mail: [email protected]
Егоров Николай Яковлевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра ЭиПМ, Южный федеральный университет. E-mail: [email protected]
Egorov Ivan Nikolaevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Physics», Don State Technical University. E-mail: [email protected]
Egorov Nikolay Yakovlevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department EaAM, Southern Federal University. E-mail: [email protected]
Черный Александр Игоревич - студент, факультет МИФ, Chernyi Aleksandr Igorevich - student, faculty MIP, Southern
Южный федеральный университет. E-mail: [email protected] Federal University. E-mail: [email protected]
Показано, что использование электромагнитного воздействия при измельчении материала феррита стронция в бильной мельнице позволило существенно интенсифицировать процесс помола, повысить однородность распределения частиц по размерам и их активность за счет создания микроискажений кристаллической решетки.
Ключевые слова: механическое измельчение; порошки ферромагнитных материалов; дисперсный состав; микроструктура.
The paper shows, that the application of electromagnetic effect to strontium ferrite milling process in beater mill allowed to intensify the milling, to increase the uniformity of particle size distribution and their activity by means of creating lattice microdistortions.
Keywords: mechanical milling; powders of magnetic materials; grain size distribution; microstructure.
В порошковой металлургии механическое измельчение компактных материалов применяется при получении порошков хрупких металлов и сплавов. Для тонкого измельчения ферромагнитных материалов применяются барабанные, вибрационные, струйные, шаровые, ударные, планетарные центробежные мельницы и аттриторы. Требования, предъявляемые к тонкости измельчения различных материалов, зависят от области их применения. Предельный размер частиц, которого можно достичь в процессах тонкого измельчения хрупких тел составляет 0,1 мкм [1]. Для технологии ферритового производства, кроме химического состава шихты, большое значение имеют физико-технологические свойства порошков, в частности гранулометрический состав, состояние поверхности частиц сырья, совершенство внутренней макро- и микроструктуры частиц [2]. В работе [3] показано, что увеличение длительности измельчения порошка гек-саферрита стронция до 8 ч в шаровой мельнице позволило снизить средний размер частиц с 1,5 до 0,94 мкм, повысить однородность распределения частиц по размерам и их активность за счет создания микроискажений кристаллической решетки. Улучшение качества порошка привело к формированию однородной мелкозернистой микроструктуры заготовок, полученных после прессования в магнитном поле и спекания при температуре 1230 °С.
Для интенсификации процесса помола и повышения качества порошков ферромагнитных материалов в бильной мельнице в рабочей камере в области вращающихся бил создается магнитоожиженный слой из
частиц и агрегатов дисперсной среды посредством воздействия переменного неоднородного и постоянного магнитных полей, силовые линии которых взаимно перпендикулярны и параллельны плоскости вращающихся бил [4 - 5].
Выбор режимов электромагнитного воздействия и времени измельчения дисперсного материала определяется требованиями, предъявляемыми к конечной продукции, а также экономической оценкой технологического процесса.
Целью настоящей работы является определение эффективных режимов электромагнитного воздействия при измельчении в бильной мельнице, обеспечивающих интенсификацию процесса помола, и улучшение качества порошка за счет получения порошка с наименьшим разбросом частиц по размерам.
Экспериментально установлено, что после помола в течение 20 мин в бильной мельнице дисперсного материала феррита стронция со средним размером частиц 84,1 мкм, дисперсией 90,9 мкм и максимальным размером частиц 550 мкм степень измельчения составила 4,4. При измельчении в постоянном магнитном поле с индукцией 15,3 мТл и переменном магнитном поле с градиентом индукции от 28 до 90 мТл/м интенсивность измельчения увеличивается с ростом градиента индукции [6]. Проведенные исследования динамики измельчения порошка показали, что через 20 мин помола в переменном магнитном поле с градиентом индукции 28, 75 и 90 мТл/м степень измельчения возрастает до 9,4; 15,6 и 29,4 соответственно.
В бильной мельнице измельчение обрабатываемого материала осуществляется за счет многократных соударений частиц с вращающимися билами, имеющими в сечении форму прямоугольной трапеции, нижняя и ударная поверхности которой образуют острый угол. В магнитоожиженном слое интенсивность движения частиц и агрегатов зависит от режимов электромагнитного воздействия, массы, размеров, магнитных свойств частиц и др. Эксперименты показали, что в постоянном магнитном поле с индукцией 15,3 мТл и переменном магнитном поле с градиентом индукции 28 мТл/м частицы феррита стронция со средними размерами 4,4 мм не движутся. При увеличении градиента индукции от 60 до 200 мТл/м перемещение частиц возрастает от 0,5 до 3,0 см.
В магнитоожиженном слое на величину пути проходимого частицами ферромагнитного материала влияют локальные магнитные поля соседних частиц. Объем, занимаемый магнитоожиженным слоем порошка феррита стронция со средним размером частиц 6,7 мкм, возрастает в 2 раза при увеличении градиента индукции от 28 до 75 мТл/м. Из приведенных результатов следует, что при измельчении в магнито-ожиженном слое осуществляется перемешивание дисперсного материала, что приводит к увеличению частоты соударений частиц с билами и интенсификации помола. Ударные нагрузки приводят не только к разрушению частиц обрабатываемого материала, но и активации их поверхности за счет деформации кристаллической решетки.
В качестве исходного материала для исследований использовали дисперсный материал феррита стронция (SrFe12O19) со средним размером частиц 1558,5 мкм, максимальным размером 3100 мкм, медианой 1477 мкм.
Исходный материал измельчали в течение 120 мин в бильной мельнице без электромагнитного воздействия (режим 1) и в магнитоожиженном слое. Для получения магнитоожиженного слоя использовали три режима электромагнитного воздействия. Постоянное магнитное поле с индукцией 15,3 мТл оставалось неизменным, градиент индукции переменного магнитного поля - 270 мТл/м (режим 2), 150 мТл/м (режим 3) и 90 мТл/м (режим 4).
Размеры частиц порошка, полученного при измельчении, исследовали на сканирующем электронном микроскопе Zeiss Supra 25. Структурные исследования порошковых образцов, подвергнутых измельчению, проводились на дифрактометре ДРОН-3М с использованием излучения Cu Ka анода с длиной волны 1,5406 А с фокусировкой по Брегу - Брентано (6 - 26). Сканирование дифракционных профилей осуществлялось в пошаговом режиме (шаг 0,02°). Время экспозиции на каждом шаге 8 с. Для анализа и уточнения структурных характеристик использована база данных ICSD. Компьютерная обработка дифракционных спектров проведена с помощью программы Pwc, версия 2.3, которая основана на методе полнопрофильного уточнения структуры Ритвелда.
Наиболее полно дисперсность характеризуется распределением частиц порошка по размерам (рис. 1, 2). После измельчения в мельнице в течение 120 мин (режим 1) в порошке преобладают частицы размером 2,24 мкм (рис. 1 а), средний размер частиц уменьшается до 9,26 мкм, степень измельчения возрастает до 168, 95 % частиц имеют размеры до 30,3 мкм, 50 % частиц - менее 4,2 мкм (рис. 1 б). В данном порошке 23 % частиц имеют размер больше среднего значения. Частиц с размером менее 1 мкм всего 15 %.
24
20
£ 16 к
Ja 12 8
4
0
;-1
Л г\ «п
d, мкм а
100 80 - 60 40 20
50%
95%
20 40 60 80 100 120
d, мкм
б
Рис. 1. Гистограмма, кривая логарифмически нормального распределения (а) и кумулятивная вероятностная кривая (б) распределения частиц порошка феррита стронция по размерам после измельчения без электромагнитного воздействия в течение 120 мин (режим 1)
После измельчения в магнитоожиженном слое в режимах 2, 3 и 4 степень измельчения возрастает до 2834, 2789 и 2736, а средний размер частиц равен 0,55, 0,56 и 0,57 мкм соответственно. При измельчении в используемых режимах электромагнитного воздействия получаются порошки феррита стронция, в которых преобладают частицы размером 0,34 мкм (рис. 2 а), 30 % частиц имеют размеры больше среднего размера (рис. 2 б). Однако после измельчения в неоднородном поле с градиентом индукции 90 мТл/м в порошке 11,3 % частиц имеют размеры более 1 мкм, а в порошке, полученном при обработке в поле с градиентом индукции 270 мТл/м, таких частиц 7,9 %.
d, мкм
80
60 Режим 2
40 95%
20 50%
0
d, мкм
х1
о4
2 3
d, мкм
о4
I 40
Режим 3
95%
50%
1 2 3
d, мкм
о4
je
2
d, мкм
ЮОп
80-
60-
К
3 40-
20-
0-
Режим 4
95%
50%
d, мкм
б
Рис. 2. Гистограммы, кривые логарифмически нормального распределения (а) и кумулятивные вероятностные кривые (б) частиц порошка феррита стронция по размерам после измельчения в течение 120 мин в магнитоожиженном слое
Из полученных экспериментальных результатов следует, что измельчение дисперсного материала феррита стронция в магнитоожиженном слое, образованном постоянным магнитным полем с индукцией 15,3 мТл и переменным магнитным полем с градиентом индукции в интервале значений от 28 до 90 мТл/м, позволило значительно уменьшить средний размер частиц и повысить однородность распределения частиц по размерам. Полученный результат достигается за счет принудительного перемешивания дисперсной среды и интенсификации движения час-
тиц в зоне помола. Однако увеличение градиента индукции от 150 до 270 мТл/м при измельчении дисперсной среды приводит к значительному замедлению возрастания интенсивности измельчения, уменьшению среднего размера частиц и разброса частиц по размерам полученного порошка.
Измельчение в бильной мельнице в магнитоожи-женном слое твердой фазы происходит за счет ударных нагрузок со стороны бил и истирания частиц при их поступательном движении в неоднородном переменном магнитном поле, что приводит к изменениям
а
структурных несовершенств. Плотность дислокаций определяли из экспериментальных рентгенограмм порошковых образцов, полученных после измельчения по эффективным размерам областей когерентного рассеяния (ОКР) [7 - 9]. Для расчета максимальных значений микронапряжений (остаточные напряжения 2-го рода) использован рефлекс 114.
На уширение дифракционной линии оказывает влияние дисперсность ОКР блоков и микродеформация решетки (Да/йш), где Дй - среднее по величине изменение межплоскостного расстояния йш, обусловленное наличием дефектов решетки.
На рис. 3 представлены фрагменты экспериментальных дифрактограмм порошков, полученных после измельчения в течение 120 мин в бильной мельнице в режимах 1, 2 и 3. Выбранный диапазон дифракционных углов включает наиболее интенсивные рефлексы. При сравнении рентгенограмм порошковых образцов, полученных после помола в течение 120 мин без электромагнитного воздействия (рис. 3 а) и в магнито-ожиженном слое (рис. 3 б, в), наблюдается уширение отражений в последнем случае, что свидетельствует об уменьшении ОКР, а также о возникновении в образцах дополнительных микродеформаций решетки (Дй/йш).
—I—1—I—1—I—1—I—1—I—1—I—>—I—1—I—1—I—1—I
28 ЗД 32 34 ЗВ 38 40 42 44 4в 20, град
Рис. 3. Фрагменты экспериментальных дифрактограмм порошков, полученных после измельчения в течение 120 мин в бильной мельнице: а - режим 1; б - режим 3; в - режим 2
Для образцов из порошков, подвергнутых обработке в магнитном поле с более высоким градиентом индукции уширение дифракционных отражений возрастает. Так, для порошкового образца, полученного в режиме 1, значение плотности дислокаций 2,45х10п см-2 и величина микродеформаций 3,60х10-3. При измельчении в режимах 2 и 3 значение плотности дислокаций
Поступила в редакцию
образцов увеличилось на 0,48х10п см-2 и 0,67х10п см-2, а величина микродеформации возросла на 0,47х10-3 и 0,55х10-3 соответственно.
Полученный результат увеличения величины микродеформации и плотности дислокаций в большей степени можно объяснить интенсификацией помола в магнитоожиженном слое.
Вывод
Измельчение ферромагнитных материалов в бильной мельнице в магнитоожиженном слое приводит не только к интенсификации процесса помола, повышению однородности распределения частиц по размерам полученного порошка, но и к активации поверхности частиц за счет деформации кристаллической решетки. Полученный результат объясняется тем, что в магнитоожиженном слое дисперсный материал подвергается ударным нагрузкам большой частоты и силы, перемешиванию и удержанию в зоне вращающихся бил, а также истиранию частиц за счет межчастичного трения при поступательном движении в неоднородном переменном магнитном поле.
Литература
1. Либенсон Г.А., Лопатин В.Ю., Комарницкий Г.В. Процессы порошковой металлургии: в 2 т. Т. 1: Производство металлических порошков. М., 2001. 368 с.
2. Дорофеев Ю.Г., Дорофеев В.Ю., Бабец А.В. Теория получения металлических порошков и их формования. Новочеркасск, 1999. 144 с.
3. Андреев В.Г., Канева И.И., Подгорная С.В., Тихонов А.Н. Исследование влияния длительности измельчения порошков гексаферрита стронция на микроструктуру и свойства магнитов на их основе // Материалы электронной техники. 2010. № 2. С. 43 - 47.
4. Способ измельчения магнитных материалов и устройство для его осуществления: пат. 2306180 РФ. / И.Н. Егоров, С.И. Егорова, Ю.М. Вернигоров. № 2006103313/03; за-явл. 06.02.2006; опубл. 20.09.2007. Бюл. № 26. 2 с.
5. Егоров И.Н., Егоров Н.Я., Лянгузов Н.В. Тонкое измельчение ферромагнитных материалов в бильной мельнице // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2011. № 1. С. 89 - 92.
6. Егорова С.И. Магнитовибрационное ожижение. Ростов н/Д., 2009. 162 с.
7. Бублик В.Т., Дубровина А.Н. Методы исследования структуры полупроводников и металлов. М., 1987. 272 с.
8. Кривоглаз М.А. Дифракция рентгеновских лучей и нейтронов в неидеальных кристаллах. Киев, 1983. 408 с.
9. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электроннооптический анализ. М., 1970. 366 с.
8 апреля 2013 г.
