CC BY
20
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ MACTINE BUILDING AND THEORETICAL ENGINEERING
УДК 621.762.002 DOI: 10.17213/0321-2653-2015-3-54-58
ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ НА ОДНОРОДНОСТЬ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА И СТРУКТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ
ПОРОШКА ФЕРРИТА СТРОНЦИЯ
THE INFLUENCE OF MILLING DURATION ON PARTICLE SIZE DISTRIBUTION UNIFORMITY AND STRUCTURE OF STRONTIUM FERRITE POWDER
© 2015 г. И.Н. Егоров, Н.Я. Егоров
Егоров Иван Николаевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Физика», Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, Россия. E-mail: [email protected]
Егоров Николай Яковлевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра ВВиИКТ, Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону, Россия. E-mail: [email protected]
Egorov Ivan Nikolaevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Physics», Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russia. E-mail: [email protected]
Egorov Nikolay Yakovlevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department HCaICT, Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia. E-mail: [email protected]
Представлены результаты экспериментальных исследований измельчения материала феррита стронция в бильной мельнице без электромагнитного воздействия и в магнитоожиженном слое. Показано, что воздействие на дисперсный материал при обработке в мельнице переменным неоднородным и постоянным магнитными полями, силовые линии которых взаимно перпендикулярны и параллельны плоскости вращающихся бил, позволило интенсифицировать процесс диспергирования, снизить энергозатраты и значительно улучшить качество порошка феррита стронция: повысить однородность распределения частиц по размерам, снизить средний размер частиц с 1558,50 до 0,55 мкм за 120 мин измельчения. Увеличение длительности измельчения повлекло повышение активности за счет создания микроискажений кристаллической решетки.
Ключевые слова: механическое измельчение; порошки ферромагнитных материалов; бильная мельница; магни-тоожиженный слой; гранулометрический состав; микроструктура.
The results of experimental studies of strontium ferrite milling in beater mill without electromagnetic action and in magnetoliquefied layer are presented in the article. It was shown that effect of variable gradient and constant magnetic fields with mutually perpendicular and parallel to rotating beaters plane on disperse material in mill allowed to intensify milling process, decrease power consumption and significantly increase strontium ferrite powder quality: increase particle size distribution uniformity, decrease medium particle size from 1558,5 to 0,55 ¡m during 120 minutes of milling. Milling duration increase was followed by heightened activity caused by lattice micro stress creation.
Keywords: mechanical milling; ferromagnetic powders; beater mill; magnetoliquefied layer; particle size distribution; microstructure.
Получение и подготовка порошков ферромагнитных материалов играет весьма существенную роль в производстве порошковых изделий. Часто с целью изменения физико-технологических и эксплуатационных характеристик порошка проводят длительное сухое или мокрое измельчение [1]. Как правило, при
механических способах помола на начальном участке зависимость удельной поверхности увеличивается пропорционально времени обработки дисперсной среды, что соответствует интенсивному процессу измельчения. Однако с увеличением удельной поверхности измельчаемого материала скорость ее прироста
замедляется. Оптимальному помолу феррита стронция для получения магнитов соответствуют частички порошка, средний размер которых составляет около 0,3 мкм [2]. Предельные значения удельной поверхности порошка, достигаемые на измельчителе, обусловлены свойствами измельчаемого материала и условиями диспергирования. При измельчении механическая энергия, подведенная к обрабатываемому материалу, усваивается им в виде новой поверхности и появления структурных дефектов [3].
Выбор длительности механического измельчения обусловлен достижением требуемых характеристик порошка: среднего размера частиц, дисперсности, активности, характеризующейся, например, величиной микроискажений кристаллической решетки , где Дd - среднее по величине изменение межплоскостного расстояния dhkl.
К настоящему времени разработано большое количество аппаратов для диспергирования. Один из методов понижения среднего размера частиц ферромагнитных дисперсных материалов - сухое измельчение в бильной мельнице. Для интенсификации помола обработка дисперсного ферромагнитного материала осуществляется в магнитоожиженном слое, который создается под действием переменного неоднородного и постоянного магнитных полей, силовые линии которых взаимно перпендикулярны и параллельны плоскости вращающихся бил [4]. В переменном неоднородном магнитном поле при определенных значениях индукции и градиента индукции частицы ферромагнитного материала приходят в движение, направление которого меняется с частотой изменения переменного магнитного поля. От величины градиента индукции переменного магнитного поля зависит величина силы, действующей на частицы дисперсного материала и их ускорение при поступательном движении в магнито-ожиженном слое. Благодаря этому с увеличением градиента индукции переменного поля наблюдается возрастание эффективности процесса измельчения ферромагнитных материалов в магнитоожиженном слое [5, 6]. Однако использование электромагнитного воздействия на обрабатываемый материал и повышение длительности измельчения увеличивают энергетические затраты на процесс диспергирования. В связи с вышеизложенным актуальным является выбор наиболее рациональной технологии измельчения.
Целью данной работы является анализ влияния длительности измельчения дисперсного материала феррита стронция в бильной мельнице без электромагнитного воздействия и в магнитоожиженном слое на повышение однородности распределения частиц по размерам и их активности за счет создания микроискажений кристаллической решетки.
Для достижения поставленной цели исходный дисперсный материал феррита стронция со сред ним размером частиц а?ср = 1558,5 мкм, дисперсией
497 мкм, медианой 1477 мкм, измельчали в течение 120 мин без электромагнитного воздействия (режим 1)
и в магнитоожиженном слое, образованном в постоянном магнитном поле с индукцией 15,3 мТл, переменном магнитном поле с градиентом индукции 210 мТл/м (режим 2) и 270 мТл/м (режим 3).
Определение дисперсного состава порошка, получаемого после обработки в мельнице, выполняли на сканирующем электронном микроскопе Zeiss Supra 25.
Используемый для измельчения дисперсный материал феррита стронция имел широкий диапазон размеров частиц. Наиболее вероятный размер частиц 1420 мкм, 95 % частиц имели размер менее 2430 мкм, максимальный размер частиц составлял 3100 мкм.
Распределение частиц по размерам порошков ферромагнитных материалов, полученных после измельчения в бильной мельнице, характеризуется логарифмически нормальным распределением [7]. Динамику изменения дисперсного состава порошка от времени измельчения и параметров электромагнитного воздействия можно оценить из сравнения ширины максимумов (ДО) на половине высоты кривых логарифмически нормального распределения частиц по размерам.
Для исходного дисперсного материала ДО составляет 955 мкм. Из рис. 1 следует, что при увеличении времени обработки порошка ДО естественно уменьшается при любом режиме измельчения. Диспергирование в магнитоожиженном слое позволило значительно уменьшить разброс частиц по размерам. Если через 10 мин обработки в мельнице в режиме 1 ДО составляет 27,0 мкм, то после измельчения в режимах 2 и 3 ДО уменьшается до 7,4 и 7,5 мкм соответственно. После обработки материала в режимах 1, 2 и 3 через 20 мин измельчения ДО составляет 12,8; 4,08 и 2,75 мкм соответственно. Обработка дисперсного материала феррита стронция в мельнице без электромагнитного воздействия в течение 120 мин позволяет получить порошок со средним размером частиц 9,26 мкм и ДО = 5,3 мкм. Измельчение исходного материала в режиме 2 уже через 15 мин дает близкий по фракционному составу порошок со средним размером частиц 9,87 мкм и ДО = 5,3 мкм. Обработка в мельнице в магнитоожиженном слое в течение 70 мин в режимах 2 и 3 позволяет получить порошок со средним размером частиц 0,84 и 0,83 мкм, ДО - 0,67 и 0,59 мкм соответственно. Дальнейшее увеличение времени обработки порошка до 120 мин в этих же режимах приводит к уменьшению среднего размера частиц до 0,66 и 0,55 мкм, ДО снизилось до 0,67 и 0,59 мкм.
Из приведенных результатов следует, что при измельчении в магнитоожиженном слое в режимах 2 и 3 уменьшение ширин максимумов на половине высоты кривых логарифмически нормального распределения частиц по размерам порошков замедляется через 70 мин.
Для изучения дисперсного состава порошка существенным является относительное количество частиц, имеющих наиболее вероятный размер и зависимость расположения максимума функции распределения от режимов измельчения при одинаковом времени обработки дисперсного материала.
л
и
^
н о с й
I режим 1 режим 2 | режим 3
измельчения, мин
120
Рис. 1. Зависимость ширины максимума ДО на половине высоты функции логарифмически нормального распределения частиц порошка феррита стронция по размерам от времени
измельчения в режимах 1, 2 и 3
Для примера на рис. 2 (I, II, III) представлены кривые логарифмически нормального распределения частиц по размерам для обработанного в бильной мельнице без электромагнитного воздействия и в магнитоожиженном слое в течение 10, 70, 120 мин порошка феррита стронция.
15-
10£
3 5-1
о4
20151050-
. а
III
10 15 20 25 30
d, мкм
х1
о4
-С"
15-,
10-
5-
а
II
1 2 3 4 5
d, мкм
1 2 3 4 5
d, мкм
Рис. 2. Кривые логарифмически нормального распределения частиц по размерам порошка феррита стронция после измельчения в течение 10 (I), 70 (II), 120 (Ш) мин в режимах: 1 (кривая а), 2 (кривая б) и 3 (кривая в)
В порошке, полученном через 10 мин измельчения в режимах 1, 2 и 3, максимум кривой распределения частиц по размерам приходится на размер 11,9, 2,8 и 3,4 мкм соответственно. При увеличении длительности измельчения до 70 мин в режимах 1, 2 и 3 максимумы кривых смещаются соответственно на 2,4, 0,4 и 0,5 мкм. При дальнейшем увеличении времени измельчения до 120 мин в режимах 1, 2, 3 смещение максимума существенно замедлилось и достигает 2,2, 0,35 и 0,34 мкм соответственно.
Несмотря на то что после 70 мин измельчения в переменном неоднородном магнитном поле с градиентом индукции 210 и 270 мТл/м расположение максимумов кривых распределения практически совпадает, но относительное количество частиц, имеющих наиболее вероятный размер, составляет 12 и 18,3 %, а
0
5
через 120 мин увеличивается до 12,8 и 20,2 %. Следовательно, с возрастанием градиента индукции переменного магнитного поля степень однородности распределения частиц по размерам увеличивается.
Одной из важных составляющих процесса измельчения являются энергетические затраты. Для определения мощности, потребляемой электромагнитами, создающими постоянное и неоднородное переменное магнитные поля, использовался ваттметр ТS-836А. Мощность, потребляемая бильной мельницей и электромагнитами для создания режимов 2 и 3, в 2,2 и 2,7 раза больше, чем в режиме 1. Однако время, затраченное на уменьшение среднего размера частиц с 1558 до 10 мкм при измельчении в режиме 1 составляет приблизительно 90 мин, а в режиме 3 - 15 мин, поэтому энергия, затрачиваемая на измельчение в магнитоожиженном слое, в 3,6 раза меньше, чем при измельчении без электромагнитного воздействия. Таким образом, энергозатраты по получению порошков, близких по фракционному составу, при измельчении без электромагнитного воздействия значительно больше, чем при обработке в магнитоожиженном слое. Это обусловлено тем, что в последнем случае время помола для получения продукта одинаковой дисперсностью существенно меньше.
Особенности магнитоожиженного слоя ферромагнитных частиц - ударные нагрузки большой частоты и трение - приводят не только к интенсификации процесса измельчения материала, но и к возрастанию активации их поверхности за счет деформации кристаллической решетки [5]. Для изучения динамики структурных изменений в зависимости от времени измельчения и электромагнитного воздействия образцы порошков исследовались при комнатной температуре методом рентгеноструктурного анализа на ди-фрактометре ДРОН-3М с использованием излучения Си Ка анода с длиной волны 1,5406 А с фокусировкой по Брегу - Брентано (0 - 20). Регистрация дифракционных профилей проводилась в режиме пошагового сканирования с шагом 0,02° в интервале углов 20 от 28° до 46°, время экспозиции в каждой точке составляло 8 с. Обработка рентгенограмм осуществлялась методом полнопрофильного анализа. Критерием достоверности определения являлся профильный Rр-фактор. Плотность дислокаций оценивали из экспериментальных рентгенограмм порошковых образцов по эффективным размерам областей когерентного рассеяния (ОКР) [8 - 10]. Размеры ОКР вычислялись по формуле Селякова - Шеррера, величина микродеформации (остаточные напряжения 2-го рода) [11] рассчитывались по уширению рефлекса 114.
Для примера на рис. 3 приведены фрагменты экспериментальных дифрактограмм порошковых образцов феррита стронция: исходного, после измельчения в бильной мельнице в течение 10 и 70 мин без электромагнитного воздействия и в магнитоожижен-ном слое, образованном в переменном магнитном поле с градиентом индукции 270 мТл/м. Для порошковых образцов, полученных из исходного материала
(а) и после измельчения в режиме 1 в течение 10 мин
(б) и 70 мин (в), значение плотности дислокаций возрастает при повышении времени обработки на 24,6 и 33,4 %, величина микродеформаций увеличивается на 14,3 и 20,0 %. Обработка порошка при измельчении в неоднородном переменном магнитном поле (режим 3) в течение 10 (г) и 70 (д) мин приводит к возрастанию значений плотности дислокаций на 29,0 и 45,7 %, микродеформаций на 17,7 и 27,2 %. Таким образом, из сравнения рентгенограмм образцов наблюдается уширение отражений по мере увеличения длительности измельчения, как без электромагнитного воздействия, так и в магнитоожиженном слое.
| ^.„рАА^ В
^ а
28 30 32 34 36 38 40 42 44 46
20,град
Рис. 3. Фрагменты экспериментальных дифрактограмм образцов: исходного дисперсного материала (а), после измельчения в бильной мельнице в режиме 1 в течение 10 (б), 70 (в) мин и в режиме 3 в течение 10 (г), 70 (д) мин
Вывод
Из приведенных результатов следует, что обработка ферромагнитного материала в бильной мельнице в магнитоожиженном слое позволила значительно интенсифицировать процесс измельчения, уменьшить энергозатраты, существенно улучшить качество порошка феррита стронция за счет повышения однородности распределения частиц по размерам.
Литература
1. Исследование влияния длительности измельчения порошков гексаферрита стронция на микроструктуру и свойства магнитов на их основе / В.Г. Андреев, И.И. Ка-нева, С.В. Подгорная, А.Н. Тихонов // Материалы электронной техники. 2010. № 2. С. 43 - 47.
2. Летюк Л.М., Костюшин В.Г., Гончар А.В. Технология ферритовых материалов магнитоэлектроники. М.: МИСИС, 2005. 352 с.
3. Аввакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов: 2-е изд., перераб. и доп. Новосибирск: Наука, 1986. 263 с.
д
г
4. Способ измельчения магнитных материалов и устройство для его осуществления: пат. 2306180 РФ. / И.Н. Егоров, Ю.М. Вернигоров, С.И. Егорова, № 2006103313/03; за-явл. 06.02.2006; опубл. 20.09.2007, Бюл. № 26. 2 с.
5. Егоров И.Н., Егоров Н.Я., Черный А.И. Измельчение ферромагнитных материалов в магнитоожиженном слое // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2013. № 5. С. 33 - 36.
6. Егоров И.Н., Егоров Н.Я. Влияние параметров электромагнитного воздействия на интенсивность измельчения в бильной мельнице// Международный научный институт <^иСАТЮ». Ч. 1, Техн. науки. 2014, № 3. С. 50 - 52.
7. Егоров И.Н., Егорова С.И., Коханюк А.Г. Эмпирическая модель диспергирования в бильной мельнице в магнито-ожиженном слое // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2014. № 6. С. 48 - 52.
8. Ягодкин Ю.Д., Добаткин С.В. Применение электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа для определения размеров структурных элементов в нанокри-сталлических материалах (Обзор) // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007. Т. 73, № 1. С. 38 -49.
9. Lileev, A.S., Yagodkin, Yu.D., Lyubina, Yu.V. [et al.] Structure and magnetic properties of nanocrystalline alloys based on Nd2Fe14B obtained by various techniques // J. Magn. and Magn. Mater. 2003. Vol. 258 - 259. P. 586 - 589.
10. Young, R.A. The Rietveld Method. Oxford University Press, 1993. 523 p.
11. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. М.: Металлургия, 1970.
References
1. Andreev V.G., Kaneva I.I., Podgornaya S.V., Tihonov A.N. Issledovanie vliyaniya dlitel'nosti izmel'cheniya poroshkov geksafer-rita stronciya na mikrostrukturu i svojstva magnitov na ih osnove [Study of the effect of duration of grinding powders of strontium hexaferrite on microstructure and properties of magnets based on them]. Materialy 'elektronnoj tehniki, 2010, no. 2, pp. 43-47.
2. Letyuk L.M., Kostyushin V.G., Gonchar A.V. Tehnologiya ferritovyh materialov magnito'elektroniki [Technology of ferrite materials magnetoelectronics]. Moscow, MISIS Publ., 2005, 352 p.
3. Avvakumov E.G. Mehanicheskie metody aktivacii himicheskih processov [Mechanical methods of activation of chemical processes]. Novosibirsk, Nauka Publ., 1986, 263 p.
4. Egorov I.N., Vernigorov Yu.M., Egorova S.I. Sposob izmel'cheniya magnitnyh materialov i ustrojstvo dlya ego osuschestvleniya [The method of grinding magnetic materials and device for its implementation]. Pat., no. 2306180, 2007.
5. Egorov I.N., Egorov N.Ya., Chernyj A.I. Izmel'chenie ferromagnitnyh materialov v magnitoozhizhennom sloe [Grinding ferromagnetic materials in magnetic liquefied layer]. Izvestiya vuzov. Severo-Kavkazskij region. Tehnicheskie nauki, 2013, no. 5, pp. 33 - 36.
6. Egorov I.N., Egorov N.Ya. Vliyanie parametrov 'elektromagnitnogo vozdejstviya na intensivnost' izmel'cheniya v bil'noj mel'nice [Influence of parameters of electromagnetic influence on the intensity of milling in a beater mill]. Mezhdunarodnyj nauchnyj institut «EDUCATIO». Tehnicheskie nauki, 2014, vol. 1, no. 3, pp. 50-52.
7. Egorov I.N., Egorova S.I., Kohanyuk A.G. 'Empiricheskaya model' dispergirovaniya v bil'noj mel'nice v magnitoozhizhennom sloe [Empirical model of dispersion in the beater mill magnetic liquefied layer]. Izvestiya vuzov. Severo-Kavkazskij region. Tehnicheskie nauki, 2014, no. 6, pp. 48-52.
8. Yagodkin Yu.D., Dobatkin S.V. Primenenie 'elektronnoj mikroskopii i rentgenostrukturnogo analiza dlya opredeleniya raz-merov strukturnyh 'elementov v nanokristallicheskih materialah (Obzor) [Application of electron microscopy and x-ray diffraction to determine the size of structural elements in nanocrystalline materials (Review)]. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov, 2007, vol. 73, no. 1, pp. 38 - 49.
9. Lileev, A.S., Yagodkin, Yu. D., Lyubina, Yu. V. et al. Structure and magnetic properties of nanocrystalline alloys based on Nd2Fe14B obtained by various techniques. J. Magn. and Magn. Mater, 2003, vol. 258-259, pp. 586-589.
10.Young, R.A. The Rietveld Method. Oxford University Press, 1993. 523 p.
11.Gorelik S.S., Rastorguev L.N., Skakov Yu.A. Rentgenograficheskij i 'elektronno-opticheskij analiz [X-Ray and electron-optical analysis.]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1970.
Поступила в редакцию 5 марта 2015 г.
