 |
Глава четвертая. Методы. Физико-механических испытаний. 4. 1. Пикнометрические методы определения плотности
|
|
|
|
Глава четвертая
МЕТОДЫ
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ
Физико-механические свойства порошков, такие, как насыпная плотность, текучесть, коэффициенты трения, прессуемость идругие, являются основой технологической диагностики порошков. Совместно с результатами дисперсионного анализа, морфологического и микроструктурного исследования они дают единую совокупность диагностических признаков, позволяющих с высокой степенью достоверности прогнозировать характер и качество заполнения пресс-форм или тары при складировании, способность порошков уплотняться при деформационных нагрузках, сохранять придаваемую изделию форму, склонность к деформации деталей при термических воздействиях и многое другое, что определяет выбор порошков для оптимального выполнения технологических операций.
4. 1. Пикнометрические методы определения плотности
Первое, что необходимо знать при работе с порошками, это плотность порошкового материала. С увеличением дисперсности плотность порошка достигает иногда для частиц 0, 1-1 мкм значений в 5-10 раз меньших, чем плотность сплошного материала [1]. Поэтому понятно, наскольно важно знать, истинную плотность порошка, которую в каждом конкретном случае следует определять отдельно. Измерения плотности основаны на принципе пикнометрии, поэтому ее часто называют пикнометрической.
Выпускаемые у нас пикнометры имеют объемы 1, 2, 3, 5, 10, 25, 50 и 100 см3. Известны разновидности, в том числе и микропикнометры, объем которых исчисляется сотыми долями кубических сантиметров [2, 3].
Методика работы с простейшими пикнометрами (рис. 4. 1, а, 6) несложна [1-5]. Первоначально определяют массу сухого пустого пикнометрического сосуда F, затем наполняют его до метки дистиллированной водой и определяют его массу с водой F1. Зная плотность воды при температуре опыта св, определяют
|
|
|
объем пикнометра из соотношения
ϑ пик = (F1 - F)/св • (4. 1)
Значение этой величины ϑ пик является постоянным для данного пикнометра. Колбу тщательно высушивают, заполняют на
| f |
| 4 |
| а |
| 5--, \J, |
| 7 |
| 4 |
| 3 |
Hg
5
! 3
12
Рис. 4. 1. Разновидности никнометров
а - пикнометр шаровидной формы; б - пикнометр с переливным капилляром: 1 - термометр; 2 - пришлифованный колпачок; 3 - пикнометрическал метка; 4 - переливной капилляр; 5 - наружная колба; 6 - внутренняя колба [1]; в - воздушный пикнометр:
1 - емкость для порошковой пробы; 2 - резервная емкость калиброванного объема; 3 - манометр; 4 - катетометр; 5 - емкость со ртутью на подвижной стойке; г - газовыйпикнометр с водяным манометром: 1 - шкала манометра, 2, 3, 8, 10- сосуды примерно равной емкости, 4, 5, 6 - краны, 11 - метки калибровки объема на сосудах, 7 - емкость для воды 13; 9 - исследуемая проба, 12- соедuнительная трубка
½ - 2/ 3 ее объема исследуемым порошком ивзвешивают в таком виде, чтобы определить массу пикнометра с порошком F2•. После этого в нее заливают пикнометрическую жидкость так, чтобы пикнометр был заполнен примерно на 2/ 3 или ¾ своего объема, илибо тщательно взбалтывают полученную суспензию для полного смачивания жидкостью частиц порошка, либо вакуумируют до давления, величина которого зависит от упругости паров жидкости.
Пикнометр выдерживают некоторое время при этом давлении, чтобы убедиться вкачественной пропитке порошка, а затем, сняв вакуум идолив пикнометрическую жидкость до метки на сосуде, взвешивают пикнометр вместе с порошком ижидкостью, чтобы определить величину F3• Зная значение плотности пикнометрической жидкости при данной температуре сж, находят объем жидкости в пикнометре
|
|
|
(4. 2)
И, наконец, вычисляют пикнометрическую плотность порошка
(4. 3)
Как правило, измерения пикнометрических параметров производят 3-5 раз и берут среднее арифметическое полученных независимыхзамеров. Взвешивание производят на аналитических весах с достаточно высокой точностью (до 0, 001 г и более), расхождение между полученными результатами для одного итого же порошка не должно превышать 1 %.
Как видно из описания методики, точность определения плотности зависит от точности определения объема порошковой пробы, что, в свою очередь, определяется качеством пропитки порошка пикнометрической жидкостью. Выбор последней должен быть хорошо продуман, она должна хорошо смачивать материал порошка, но быть химически нейтральной и к нему самому, и к его окислам. Значения упругости паров, вязкости и размера молекул жидкости должны быть по возможности минимальными, чтобы обеспечить хорошую смачиваемость, достаточную стабильность объема и качество вакуумирования. Если в качестве пикнометрической жидкости использовать вещество со сравнительно большим молярным объемом, то мельчайшие трещины и поры частиц порошка не заполняются полностью такой жидкостью, изпробы не происходит полного удаления воздуха и значения определенной пикнометрической плотности оказываются заниженными[5]. С этой точки зрения при работе с металлическими порошками в качестве оптимальных жидкостей рекомендуются спирты, бензол, ксилол, ацетон, причем последний особо пригоден для тонкодисперсных металлических порошков.
Второй фактор, влияющий на точность определения –
это колебания температуры. Обычно при определении плотности до четвертого десятичного знака достаточно поддерживать температуру неизменной в пределах 0, 1° С. Точность метода зависит также и от величины навески, и от удельного веса материала. Но в целом метод при всей кропотливости и длительности по временным затратам является универсальным и достаточно точным.
|
|
|
Наряду с жидкостной может быть применена и газовая пикнометрия [5], когда истинная плотность порошка определяется по вытеснению газа из калиброванного объема. Действие газовой
| . + |
Упрощая это уравнение, получаем формулу:
vобр = (1-h1/h2)
Измерения рекомедуется проводить дважды при одной и той же температуре. Плотность, испытуемого порошка вычисляется по соотношению
(4. 6)
где F - вес порошковой пробы.
Вместо ртути в установке может использоваться вода. Перед работой систему каждый раз рекомендуется: проверять на герметичность.
Тот же классический газовый закон положен в основу принципа действия гелиевых пикнометров. Все измерительные операции на них и расчеты автоматизированы.
Для определения истинной плотности может быть использован своеобразный вариант газового пикнометра с водяным манометром (см. рис. 4. 1, г) [6]. В зависимости от степени изотермического расширения газа в рабочей части прибора, куда помещается исследуемая порошковая проба, по высоте водяного столба рассчитывается объем порошка по предложенной авторами формуле. Прибор рекомендуется предварительно калибровать по высокочистым порошкам с известной плотностью. Относительная ошибка определений лежит в интервале 1, 2-2 %, но может быть уменьшена до 0, 2-0, 3% (при термостатировании, уменьшении диаметра капилляра измерителя и т. д. ).
|
|
|
Применение этой установки целесообразно либо для веществ, подбор пикнометрической жидкости для которых затруднителен, либо для повышения экспрессности определения (в 3-5 раз по сравнению с жидкостным пикнометром), когда не требуется большой точности результатов.
Для высокодисперсных илегких порошков можно рекомендовать метод микропикнометрического определения плотности [7] на микропикнометре объемом примерно 0, 8 см3 при массе 4, 5 кг. Его особенностью являются цилиндричесная форма ипришлифованная коничесная пробка с капиллярным отверстием посередине.
Микропикнометр, заполненный на треть объема порошком, помещается в специальное углубление нижней пробки толстостенной (d = 3 мм) вакуумной пипетки, соединенной с вакуумным насосом. Через верхнюю пробку пипетки к микропикнометру подходит капельная воронка с пикнометрической жидкостью, которой заполняют микропикнометр до верхнего среза капилляра в пробке после вакуумной откачки прибора и отключения вакуумного насоса. Время откачки 5-10 мин (при давлении внутри 0, 2-0, 5мм рт. ст. ). После заполнения емкости жидкостью делается чистовая вакуумная откачка до прекращения выделения газовых пузырьков из порошка. Микропикнометр взвешивают пустым, с порошком и после заполнения жидкостью и вакуумирования; причем в последнем случае его 20-30 мин выдерживают при постоянной температуре, чтобы убедиться в постоянстве уровня жидкости вмикропикнометре. Если уровень жидкости понижает-
| ||||||||||||||||||
ся, то на пробку наносят каплю жидкости и вновь выдерживают емкость для контроля.
Результаты микропикнометрического определения плотност дают хорошее совпадение с расчетными данными, полученными методом фазового анализа.
В качестве жидкости был взят дегазированный керосин с упругостью паров при комнатной температуре ˂ 0, 1 мм рт. ст.
|
|
|
Точность метода повышается при улучшении вакуумирования с одновременным охлаждением микропикнометра. Метод в некоторой модификации может быть применен для оценки содержания окисла в металле при условии, что металл и окисел не взаимодействуют друг с другом, и в порошке, кроме этих двух фаз, других не имеется. Для быстрого и точного определения плотности пористых материалов может быть предложен пикнометр [8], в котором используется в качестве газовой среды либо воздух для инертных материалов с малой удельной поверхностью, либо гелий - для химически активных, а также для тех которые имеют сильно развитую поверхность частиц.
Для металлических порошков, обладающих сравнительно не плохой прессуемостью, получил признание метод определения пикнометрической плотности по брикетам, спрессованным до пористости 20-30% [9]. При этом уровне пористости частицы порошка пластической деформации не претерпевают, и, как подтверждается экспериментальными данными, в такой прессовке практически отсутствуют закрытые поры. Поэтому вакуумирование таких брикетов в течение 30-40 мин (до вакуума порядка 10-2 мм рт. ст. ) с последующей пропиткой их пикнометрической жидкостью под вакуумом обеспечивает достаточно качественное
заполнение пор брикета. Для пропитки рекомендуется бензиловый спирт, имеющий стабильную плотность (ρ 20° = 1, 044 г/см3 и ρ 25° = 1, 042 г/см3 ), небольшую упругость паров (1 мм рт. ст. при 80° С), малую растворимость в воде, коэффициент вязкости 0, 558 СПЗ и поверхностное натяжение 39 дн/см.
Исследуемые брикеты взвешиваются до вакуумирования F1 и после вакуумирования и пропитки дважды - на воздухе F2 и вводе F3 Если св - плотность воды, а сж - плотность жидкости, то плотность порошка можно рассчитать из соотношения
(4. 7)
Среднеквадратичная ошибка метода незначительна: ±0, 015÷
0, 02. Установка позволяет одновременно загрузить в колбу до 10-20 брикетов. Но масса каждого брикета должна быть не менее2-2, 5 г, иначе снижается точность определения. К хрупким порошкам с низкой способностью к прессованию этот метод не применим.
|
|
|
