FSSS粒度.docx

一、新磨法-涂雾干化技艺化合物料加工的品质扼制和优势
球磨喷雾干燥制备混合料工艺引进线混合料制备采用球磨喷雾干燥系统。混合料以碳化钨WC，复式碳化物和钴Co为主要原料，以酒精为研磨介质，硬质合金棒为研磨体，并将成型剂一起加入到球磨机中进行球磨。球磨混合料浆用丹麦产的喷雾干燥塔HC300进行干燥制粒。硬质合金混合料浆喷雾干燥的基本原理是将料浆喷入干燥塔内，使其分散为单独的小液滴，小液滴在塔内上升的过程与温度达200℃逆流而下的螺旋N2流相遇，其中的酒精迅速被挥发掉，小液滴变成一定粒度的混合料颗粒，在一定的塔压下从塔底流出。在喷雾干燥时，通过严格控制进出口温度、喷雾压力、料浆粘度、喷嘴角度等参数来控制料粒质量。
　　合格的混合料通常应满足于以下几个条件：（1）化学成分合格；（2）物理机械性能合格；（3）高、低倍金相组织结构合格；引进线通过对原料粒度、球磨时间、化学成分、液固比、球料比等各项的严格控制，确保了混合料的质量。
　　对原料粒度的控制通常我们以粉末的松装密度或FSSS粒度来判断粉末粒度的大小。但这种评定粉末粒度的方法往往不够准确。引进线则通过球磨试验，即利用小型球磨机测定原料WC的球磨因子Hcp值来鉴定原料WC的粒度是否合格。球磨时间的控制球磨因子Hcp值应用于大批生产，可精确确定出大批混合料的球磨时间，从而控制合金中WC的晶粒度。相同的球磨因子对应不同的牌号，则对应的球磨时间也不同。
　　学成分的精确控制混合料的化学成分都要经过科学的配料计算来加以控制。传统的配料计算方法仅仅是各种成分的累加，不考虑原料中各种成份的不同，结果配出的混合料中有些成份不精确。例如，因为WC中C的含量各不相同，C又是合金中最敏感的元素，最不易控制准确，而控制C的含量是混合料生产中的重要因素，保持C平衡对合金性能的影响至关重要。因为传统方法由于工艺设备等因素往往使混合料C量控制不准，常常会使合金中出现η相或石墨相，影响合金性能。
　　液固比、球料比的控制老系统工艺湿磨介质酒精加量计量不准确，有时需凭经验估计。因此液固比不准，同时球磨机添加新球不及时，造成球料比也不准，这样就降低了湿磨过程的研磨效率，使合金的孔隙度变大，性能变坏。
　　而引进线酒精加量有明确的指令，对应生产不同牌号不同重量的混合料酒精加量不同；而且每批料都要及时补充新的研磨棒，对应不同的牌号、不同的WC种类、不同球磨时间的混合料的磨棒补充不同，
　　结论（1）球磨喷雾干燥工艺制备的混合料完全可以满足生产高性能精密可转位刀片的要求。引进线混合料的质量控制方法经实践充分证明是先进的，具有较强的科学性、可靠性和可推广性。（2）通过球磨试验对原料粒度进行控制，利用球磨因子来确定球磨时间，对混合料的质量控制有着非常重要的意义。（3）控制混合料碳平衡时，不仅要分析原料中含C的不同，还应考虑到N、Ta、Nb、Ti等元素对总碳含量的影响。

二、
1 前言

费氏法是一种比较简便的粒度测量方法，它基于测量空气透过粉末堆积体的速度，依据kozeny-Carman 公式求出粉末的平均粒度。所使用的仪器为费氏仪，由美国Fisher Scientific Co.〔1〕研制，并用公司的第一个字来命名。该仪器结构简单，操作方便，价格低廉，不需要作任何计算，从读数板上可直接读出粒度值。仪器的英文全名为Fisher Sub-sieve Sizer，在我国有不同的译法，有译成“费氏筛”，也有译成“费氏亚筛粒度仪”等等。有些人因此对此名有误解，认为这是一种筛子。其实，它与筛子没有任何关系，所指的亚筛(Sub-sieve)是表示该方法测定的粒度范围为亚筛级的粉末(通常小于50μm)，即用普通机械筛分法不能筛分的粉末。严格地讲，此仪器应翻译成“费歇尔亚筛级粉末粒度测定仪”。我国标准〔2〕称此方法为“费氏法”，这里沿用了这一术语。
该方法是一种相对的测量方法，不能精确地测定出粉末的真实粒度，仅用来控制工艺过程和产品的质量。该方法只能精确地测量空气通过粉末堆积体时的透过率，其值的大小取决于它的孔结构。粉末堆积体的孔隙度、颗粒形状、粒度、粒度组成、粒度分布和压制方法等均影响孔的结构。因此，该方法仅适用于化学成分相同和粒度组成相似的粉末。对于化学成分相同而粒度组成不同的粉末，则会产生较大的测量误差。有时化学成分相同而粒度组成不同的两种粉末会得到相同的费氏值，因为它们有相同的透过率。因此，该方法所测量的粒度值不能和其它粒度测量结果进行比较。

2 原理

费氏法属于稳流(层流)状态下的气体透过法，基于空气在恒定压力下先透过粉末堆积体，然后通过可调节的针形阀流向大气。根据空气透过粉末堆积体时所产生的阻力和流量求出粉末的比表面积和平均粒度。
2.1 平均粒度的计算
粉末的比表面积由Kozeny-Carman方程给出：

(1)

式中 SW——粉末质量比表面积，cm2／g；
ε——粉末堆积体的孔隙率；
A——粉末堆积体横断面积，cm2；
ΔP——压差，△P＝ρ水g重(P－F)
(ρ水：水的密度，＝1g/cm3；g重：重力加速度，＝980.665cm/s2)；
P——样品前空气的压力，cmH2O
(1cmH2O≈102Pa，下同)；
F——样品后空气的压力，cmH2O；
K——Kozeny因子；
L——粉末堆积体厚度，cm；
η——空气粘度，g.cm－1.s－1；
Q——空气流量，Q＝C′F
(C为针形阀的流量系数，cm3.s－1.cmH2O－1)，cm3／s；
ρ——粉末的有效密度，g/cm3。
对于球形颗粒粉末，质量比表面积与平均粒径之间有如下关系：

(2)

式中 D——平均粒度，μm。
粉末有效密度按照GB5161－85〔3〕方法测定。当颗粒内不含有闭塞孔时，其密度等于其材料的真密度。
Kozeny 因子与粉末颗粒的形状和粒度分布有关，在费氏法中，取K值为5.0。
粉末堆积体的孔隙率由下式给出：

(3)

式中 M——粉末质量，g。
把上述相关已知量和式(1)及式(3)代入式(2)中，则平均粒度可由下式给出：

(4)

定义C为，则式(4)变为式(5)。

(5)

在费氏法中，取试样的质量在数值上等于粉末的有效密度，即M＝ρ，则式(3)可简化成式(6)。

(6)

把式(6)代入式(5)中，则：

(7)

2.2 粒度读数板的绘制
费氏法的平均粒度值可从预先绘制的粒度读数板上直接读取，不需作任何计算，这就是费氏法的独到之处。
粉末堆积体的厚度可从式(6)中求出：

(8)

当试样横断面积A被确定后，可按式(8)绘制一条以孔隙率为横坐标，试样厚度为纵坐标的试样高度曲线，供压制粉末试样用。
压力计前臂高度F／2可由式(7)求出：

(9)

当试样横断面积A、仪器常数C和试样前空气的压力P被确定后，可按式(9)绘制一组以孔隙率为横坐标，F／2为纵坐标的等粒度曲线。
把试样高度曲线和等粒度曲线绘制在同一块板上，便得到费氏法的粒度读数板。
典型的费氏粒度测定仪〔1〕规定的取值为：A＝1.267cm2、P＝50cmH2O、C＝C1＝3.8cm3／2(即为一档的结果)。则式(9)为：

(10)

取C＝C2＝7.6cm3／2(即为二档的结果)，由式(10)求得的D值应乘以2。
按式(8)和式(10)在粒度读数板上绘制的试样高度曲线和等粒度曲线示于图1。

图1 试样高度和等粒度曲线

2.3 测量范围的扩大
费氏仪所提供的读数板，其孔隙率为0.40～0.80。但有些样品在0.40孔隙率的情况下仍不能被压实时，需要增加粉末试样量。而有些样品在0.80孔隙率的情况下压不下去，则需要减少粉末试样量。如果此时仍然要依据粒度读数板上的曲线进行测量，则需要对读出的数据按式(11～13)进行修正。

(11)

(12)

(13)

式中 V——粉末试样固体体积，cm3；
ε——在读数板上直接读出的孔隙率；
D——在读数板上直接读出的粒度值，μm。

3 测量仪器

费氏仪由空气泵、稳压管、样品管、压力计、针形阀和粒度读数板等部件组成，见图2。

图2 费氏仪简图
1.空气泵 2.过滤器 3.调压阀 4.稳压管 5.干燥剂 6.试样管7.多孔塞 8.滤纸垫 9.试样 10.齿杆 11.手轮 12.U形管压力计13.粒度读数板 14、15.针形阀 16.换档阀

当气泵开动后，空气流经过滤器进入带有水的竖立稳压管，然后流过干燥剂管，除去水分后流进样品管，最后通过针形阀流向大气。
每次测定，粉末试样预先须由齿条和手轮等部件构成的压制机构按试样高度曲线压制成对应孔隙率下的高度。当空气通过试样堆积体时，将产生一定的压力降。被测颗粒越大，产生的压力降越小，而U形管压力计水位上升越高，在粒度读数板上读出的粒度值越大。反之越小。U形管压力计有双重作用，它既是压力计，又是流量计(毛细管流量计)，其值既表示空气通过粉末试样堆积体后的压力，又表示空气经粉末试样堆积体通过针形阀的流量。
粉末粒度的具体测量过程参见GB3249－82〔2〕。每台仪器都配有一个红宝石标准管，其上标有规定孔隙率下的高低档值。高档值用于标定较细粉末的测定，即0.20～20μm范围粉末的测定；低档值用于标定较粗粉末的测定，即20～50μm范围粉末的测定。
测量时，首先应找到最佳孔隙率，然后再在最佳孔隙率下测量粉末的粒度。用一份粉末试样找最佳孔隙率，先从较高的孔隙率开始，逐步压实粉末，视粉末压缩性不同，取0.005～0.05不同的孔隙率间隔。压一次，测一次粒度，直至压不动为止。取相邻两个最接近的粒度值所对应的孔隙率的平均值为最佳孔隙率。用另一份试样，在所找到的最佳空隙率下进行测量，此时所得数据作为最终结果报出。

4 结果和讨论

一些典型粉末样品试验结果列于表1。

表1 典型试样的测量结果

样品编号 材料 密度／g.cm－3 称样量／g 最佳孔隙率／％ 费氏平均粒度／μm
SA-1 WC 15.7 15.7 0.70 2.43
SA-2 WC 15.7 15.7 0.68 5.20
SA-3 W 19.3 19.3 0.75 3.57
SA-4 Co 8.71 6.0 0.86 3.30
SA-5 Co 8.71 5.0 0.838 3.90
SA-6 Fe2O3 5.20 5.20 0.59 2.70
SA-7 MnO2 4.83 4.83 0.75 1.08
SA-8 TiC 4.93 4.93 0.58 4.35

测量时至少要选用两份试样，一份用于找出最佳孔隙率，一份用作测量。一些典型样品最佳孔隙率的试验数据列于表2。粒度随孔隙率变化的曲线示于图3。

表2 典型的最佳孔隙率的试验数据

样品编号 材料 不同孔隙率ε下测量的粒度值D／μm 最佳ε下的D值／μm
SA-1 WC ε 0.80 0.78 0.76 0.74 0.72 0.70 0.68 0.66 0.70
D 2.39 2.53 2.68 2.64 2.40 2.40 2.40 2.34 2.43
SA-3 W ε 0.80 0.78 0.76 0.74 0.72 0.70 0.75
D 3.70 3.53 3.44 3.44 3.37 3.30 3.57
SA-4 Co ε 0.80 0.78 0.76 0.74 0.72 0.75
D 3.70 3.55 3.45 3.40 3.33 3.39
SA-6 Fe2O3 ε 0.66 0.64 0.62 0.60 0.58 0.56 0.54 0.59
D 3.85 3.14 2.85 2.73 2.73 2.70 2.55 2.70
SA-7 MnO2 ε 0.80 0.77 0.75 0.74 0.73 0.745
D 1.37 1.16 1.08 1.08 1.05 1.08
SA-8 TiC ε 0.75 0.70 0.65 0.62 0.60 0.58 0.55 0.53 0.59
D 3.40 4.60 6.60 5.20 4.56 4.56 4.52 4.40 4.35

图3 粒度随孔隙率变化曲线

从表2和图3可以看出，一般情况下，粒度值出现平台时所对应的孔隙率的平均值为最佳孔隙率。但有些粉末没有粒度值的平台出现，此时选用两个最接近的粒度值所对应的孔隙率的平均值为最佳孔隙率。例如编号为SA-4的钴粉，选用两个最接近的粒度值3.45μm和3.40μm所对应的孔隙率值0.76和0.74的平均值0.75为最佳孔隙率。从表2中可以看出，选用不同的孔隙率会得出不同的测量结果。因此在报出结果或进行数据比较时，指出选用的最佳孔隙率值是十分重要的。
当粉末的松装密度过大或过小时，在仪器所给出的孔隙率0.80～0.40范围，粉末不能被压实或者压不下去，此时应增加或减少粉末量。例如表2中给出的Co粉，当按钴的密度8.71称量粉末时，即使在0.80的孔隙率下，粉末也压不下去，为此减少粉末量。但仍然在图版上给出的孔隙率ε′下进行测量，然后按式(11～13)分别求出样品的真实体积、真实孔隙率和真实的费氏粒度值。

5 结论

1.费氏法实际测量的是空气透过粉末堆
积体的流速，然后根据流速在粒度读数板上直接读出粉末的平均粒度，该平均粒度被称为费氏平均粒度。它不能精确地反映粉末的真实粒度，也不能和其它粒度测量方法所得结果进行比较。主要用于控制工艺过程。
2.费氏法所测量的粒度值与最佳孔隙率的选择有密切关系。选用不同的孔隙率，会得到不同的测试结果。因此，在报告结果时，应指出所选择的最佳孔隙率值。
3.对于化学成分相同和粒度分布相似的粉末，费氏法是比较适用的。此时，可以在相同的孔隙率下进行测量，其相对值是比较可靠的。否则会导致错误的结果。例如有化学成分相同而粒度分布不同的两种粉末，由于它们对空气的透过速率是相同的，因此有时也会得出相同的费氏粒度值，此结果显然是错误的。