Mechanische legering met Kogelmolens
Traditionele legeringsproductie omvat meestal het smelten van componenten bij hoge temperaturen om materialen zoals roestvrij staal te creëren. Wanneer echter slechts kleine hoeveelheden nodig zijn of smelten niet haalbaar is voor legering, biedt mechanische legering een levensvatbaar alternatief. Dit proces maakt gebruik van Kogelmolens om poederdeeltjes te lassen en te smelten door een combinatie van impact en plastische vervorming.
Eind jaren zestig werd deze methode gebruikt om nikkel-ijzerlegeringen te produceren. Ze zijn bestand tegen hoge temperaturen en geschikt voor ruimtevaarttoepassingen. Mechanische legering is een poederverwerkingstechniek die homogeniteit in het materiaal bereikt door de poederdeeltjes herhaaldelijk koud te lassen, te breken en opnieuw te lassen.
Aanvankelijk worden grotere deeltjes op deze manier geproduceerd. Verhoogde defectstructuren zoals dislocaties, openingen en spanning in de kristalroosters van de afzonderlijke deeltjes leiden tot een verhoogde diffusiesnelheid van hun atomen. Dit resulteert in verhoogde brosheid die de vorming van scheuren en een daaropvolgende breuk van het deeltje bevordert. De diffusie wordt ondersteund door een temperatuurstijging die wordt gegenereerd door wrijvingswarmte in de Slijpende pot. Het proces van fusie en vouwen gaat door totdat volledige homogenisatie is bereikt na enkele minuten of enkele uren. Verkleinende kristallijne secties van aangrenzende initiële componenten worden gevormd in de poederdeeltjes die 'nanokristallieten' worden genoemd.
De benodigde energietoevoer tijdens mechanische legeringen wordt geleverd door hoogenergetische Kogelmolens en planetaire Kogelmolens door impactvolle botsingen. De Slijpende kogels zorgen ervoor dat de fijne deeltjes plastische vervorming ondergaan, wat leidt tot de fusie van materialen. Deze techniek maakt de productie van legeringen mogelijk wanneer traditionele metaalfusiemethoden niet effectief zijn. Het maakt ook aanpassingen in de mengverhoudingen van componenten mogelijk. Ze maken het ook mogelijk om de monsters voor te frezen om de deeltjesgrootte te verkleinen.
Molens geschikt voor mechanische legering
Hoge Energie Kogelmolen Emax
De Hoge Energie Kogelmolen Emax is ontworpen voor frezen met hoge energie, met een snelheid van 2.000 min-1 in combinatie met een uniek Slijp potontwerp dat een aanzienlijke groottereductie-energie produceert. Een enorme energie-input van maximaal 76 g is haalbaar.
De Emax werkt op een dubbel mechanisme van hoge impact en intense wrijving, wat resulteert in een hoge-energie-input die geschikt is voor snel Slijpen naar het nanometerbereik en voor mechanische legering. Dit effect wordt bereikt door de ovale vorm en beweging van de Slijpende potten, die een cirkelvormig pad volgen zonder hun oriëntatie te veranderen, waardoor de menging van deeltjes wordt verbeterd en fijnere maalgroottes en een meer uniforme Deeltjesgrootte Verdeling wordt bereikt.
De Emax is uitgerust met een gespecialiseerd vloeibaar koelsysteem dat overtollige thermische energie efficiënt afvoert, ervoor zorgend dat het monster niet oververhit raakt, zelfs tijdens langere Slijp perioden. De Slijpende potten zijn intern watergekoeld, waardoor continu Slijpen mogelijk is zonder onderbrekingen in de meeste externe scenario's. Een Emax-koelmachine kan worden aangesloten op de interne temperatuurverlagingsmodus van de Emax. Bovendien kunnen gebruikers de minimumtemperatuur verder regelen en de maaltemperatuur instellen, gevolgd door het slijpen tot de maximale temperatuur wordt bereikt bij het breken. Dit zorgt ervoor dat de maximale temperatuur bij het slijpen optimaal wordt bereikt, zodat de Emax-fout wordt gecorrigeerd, waardoor de ideale proefduur voor het slijpen wordt geëlimineerd.
Planetaire kogelmolens
Planetaire kogelmolens zijn vele malen gebruikt voor mechanische legering. In een planetaire kogelmolen functioneert elke pot als een "planeet" die draait op een platform dat bekend staat als het "zonnewiel."Als het zonnewiel draait, draait de pot ook om zijn eigen as, maar in omgekeerde richting. Deze beweging activeert centrifugale en Coriolis-krachten, waardoor de maalballen snel versnellen. Het resultaat is een aanzienlijke verpulveringsenergie die extreem fijne deeltjes produceert.
De intense versnelling van de maalballen van de ene kant van de pot naar de andere creëert een krachtige impact op het monster, wat leidt tot verdere groottevermindering door wrijving. Typisch is de snelheidsverhouding tussen het zonnewiel en de maalpot 1:-2, wat betekent dat de pot twee rotaties maakt voor elke rotatie van het zonnewiel. Deze verhouding is standaard voor de meeste planetaire kogelmolens. Voor mechanische legeringstoepassingen zijn planetaire kogelmolens met een hogere energie-input en een snelheidsverhouding van 1:-2,5 of zelfs 1:-3 bijzonder effectief.
In tegenstelling tot de Emax, bieden deze molens grotere maalpotten tot 500 ml. De Planetaire kogelmolen PM 300, met zijn grote zonnewiel en een maximale snelheid van 800 tpm, levert een zeer hoge energie-input, wat resulteert in 64 g. Met twee stations kunnen de maaltijden gelijktijdig vier potten gebruiken van 1280 ml tot 500 ml. Groter maalschalen zijn ook beschikbaar voor dezelfde processen, vooral voor mechanische legering.
Voorbeeld Thermo-elektrische materialen via mechanische legering
Silicium en germanium zijn fundamentele halfgeleidermaterialen die de ontwikkeling van elektronische apparaten, waaronder fotovoltaïsche cellen en transistors, revolutionair hebben veranderd. Door de verhoudingen van Si en Ge te variëren, kunnen de eigenschappen van deze legeringen worden gewijzigd, waardoor de atoomgrootte, massaverschillen en bandhiaten worden beïnvloed.
Thermo-elektrische legeringen samengesteld uit Si en Ge worden gebruikt in ruimtemissies binnen radio-isotope thermogeneratoren om ruimtesondes en instrumenten te Vermogen. Voor thermo-elektrische commerciële toepassingen zijn materialen op basis van bismutteluride (Bi2Te3) van het grootste belang vanwege hun superieure conversie-efficiëntie. Bismuthteluride Peltier-elementen worden gebruikt in koelsystemen. Voorheen werden planetaire Kogelmolens gebruikt voor de mechanische legering van Si en Ge, maar ze ondervonden verschillende problemen. De nieuwe Hoge Energie Kogelmolen Emax pakt deze problemen aan door materiaalaankoeken bij hoge snelheden te voorkomen, waardoor lange pauzes worden geëlimineerd en de totale verwerkingstijd wordt verkort. De technologie van de Emax vergemakkelijkt efficiënte en snellere verwerking.
3,63 g Si en 2,36 g Ge werden gecombineerd in een 50 ml wolfraamcarbide Slijp pot met acht 10 mm Slijpende kogels, met een monster-kogelverhouding van 1:10. Aanvankelijk hadden Si en Ge deeltjesgroottes van respectievelijk 1–25 mm en 4 mm. Na een maaltijd van 20 minuten bij 2000 tpm werden beide verpulverd zonder aankoeken. Het mechanisch legeringsproces ging negen uur door bij 1200 tpm, met een uur Slijp intervallen gevolgd door een minuut pauzes voor rotatieomkering om aankoeken te voorkomen. Röntgendiffractie (XRD) mat het uitgangsmateriaal, met de verschillende lijnpatronen van Si en Ge, die na verloop van tijd vervaagden. Tijdens het proces bleven de legeringscomponenten poederig en de Emax temperatuur bleef onder 30 °C. Na negen uur waren de poeders nog steeds kristallijn met weinig tot geen amorf materiaal.
Resultaten gepresenteerd door Amalia Wagner. Instituut voor Anorganische en analytische chemie, Albert Ludwigs University[1]
Invloed op de poeder-kogelverhouding op de resultaten verkregen door mechanische legering
Voor mechanische legering wijkt de benadering van kogelvulling af van de conventionele eenderde regel (1/3 kogels, 1/3 monster, 1/3 lege ruimte), vanwege de frequente behoefte aan hoge versnelling en de incidentele schaarste aan monstermateriaal (educten). De focus verschuift naar het gebruik van een specifieke massaverhouding, wat rekening houdt met de reactanthoeveelheid en een duidelijke beslissing over de toe te passen massaverhouding. Daarnaast moet de grootte van de kogels worden bepaald om de vereiste hoeveelheid kogels te berekenen, met behulp van hun soortelijk gewicht, dat varieert met grootte en materiaal. Zodra het aantal kogels is vastgesteld, wordt de vereiste Slijp potgrootte duidelijk. Aangezien de monsterhoeveelheid in de potten meestal erg klein is, is er een groter risico op beschadiging van zowel de kogels als de potten, dan bij het naleven van de traditionele eenderde regel.
Een massaverhouding (w/w) van 1:10 wordt vaak gebruikt voor mechanische legering, maar 1:5 of 1:15 zijn ook mogelijk. Dit betekent dat wanneer 15 g educten worden gebruikt, 150 g kogels nodig zijn. Aangezien een hoge impact vereist is, zijn kogels > 10 mm heel gebruikelijk voor mechanische legering. 150 g = 20 mm wolfraamcarbide kogels van 7,75 g. Voor elke kogel van 20 x 10 ml is een minimumvolume van 50 ml vereist (zie productpagina's van kogelmolens).
| Maalbeker nominaal volume |
Monsterhoeveelheid | Max. invoergrootte | Ø 5 mm* | Ø 7 mm* | Ø 10 mm* | Ø 15 mm* | Ø 20 mm* | Ø 30 mm* |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 12 ml | tot ≤ 5 ml | < 1 mm | 50 | 15 | 5 | - | - | - |
| 25 ml | tot ≤ 10 ml | < 1 mm | 95 – 100 | 25 – 30 | 10 | - | - | - |
| 50 ml | 5 – 20 ml | < 3 mm | 200 | 50 – 70 | 20 | 7 | 3 – 4 | - |
| 80 ml | 10 – 35 ml | < 4 mm | 250 – 330 | 70 – 120 | 30 – 40 | 12 | 5 | - |
| 125 ml | 15 – 50 ml | < 4 mm | 500 | 110 – 180 | 50 – 60 | 18 | 7 | - |
| 250 ml | 25 – 120 ml | < 6 mm | 1100 – 1200 | 220 – 350 | 100 – 120 | 35 – 45 | 15 | 5 |
| 500 ml | 75 – 220 ml | < 10 mm | 2000 | 440 – 700 | 200 – 230 | 70 | 25 | 8 |
*Aanbevolen kogelvulling (aantal)
De tabel geeft de aanbevolen ladingen (in stukjes) van Slijpende kogels van verschillende grootte weer in verhouding tot het volume van de Slijpende pot, de hoeveelheid monsters en de maximale voergrootte.
Als de kogel-poederverhouding te hoog is, kunnen de kogels niet meer efficiënt bewegen, waardoor de efficiëntie van het legeringsproces afneemt. Om de effectiviteit van verschillende poeder-tot-Slijpen kogelverhoudingen te bepalen, werd een experiment uitgevoerd met behulp van een 50 ml stalen Slijp pot en tien 10 mm stalen Slijp kogels. Voor een 1:10 verhouding werden 2,09 g bismut en 1,91 g tellurium gebruikt, terwijl een 1:5 verhouding 4,18 g Bi en 3,83 g Te betrof. De materialen werden gedurende 70 minuten verwerkt bij 800 tpm, met cycli van 10 minuten frezen gevolgd door een pauze van één minuut voor geprogrammeerde richtingsomkering. XRD-analyse werd uitgevoerd na het eerste uur van mechanische legering. Het toonde een verschuiving in de reflexen van Bi en Te naar Bi2Te3, wat de vorming van de legering aantoonde. De 1:10-verhouding toonde een iets snellere vorming van Bi2Te3. Het monster met een 1:5-verhouding had een hogere intensiteit van telluriumreflex, wat suggereert dat er meer resttelurium was in vergelijking met het 1:10-monster. Het legeringsproces ging nog drie uur door bij 1.200 tpm zonder aankoekenning. Eerder mechanisch legering van Bi2Te3 in een Kogelmolen duurde 6,5 uur bij 1.200 tpm. Met behulp van de Hoge Energiemolen Emax was het proces echter in slechts twee uur voltooid.
Poederdiffractogram na een uur mechanische legering Bi en Te in de Emax, poeder-kogelverhouding 1:10 (links), poeder-kogelverhouding 1:5 (rechts).
Resultaten gepresenteerd door Uwe Pelz, Instituut voor Anorganische en analytische chemie, Albert Ludwigs Universiteit [1]
Invloed van het materiaal van het Slijpende gereedschap en de snelheid van de machine
De invloed van de materialen die worden gebruikt voor potten en Slijpende kogels is significant bij het legeringsrendement. Twee belangrijke factoren zijn de energie-input, die correleert met de dichtheid van het materiaal, en de slijtvastheid van het materiaal. De snelheid van de molen beïnvloedt ook de energie-input, die toeneemt met de dichtheid van het materiaal en de snelheid van de molen. Materialen met hoge dichtheid zoals wolfraamcarbide resulteren in een grotere versnelling van de Slijpende kogels bij een bepaalde snelheid, wat leidt tot een hogere energie-impact op het monster en een effectievere verbrijzelingswerking. Voor kneedbare materialen kan overmatige energie echter effectieve legeringsprocessen belemmeren, waardoor het monster een laag vormt die zich aan de pot hecht en de Slijpende kogels inkapselt, waardoor nanokristallietvorming wordt verstoord en monsterherstel wordt bemoeilijkt. De hoge slijtvastheid van wolfraamcarbide is voordelig bij het minimaliseren van slijtage.
Controlled Atmosphere Milling with Advanced Grinding Jar Design
De EasyFit Slijpen potten zijn ontworpen voor veeleisende omstandigheden, waaronder langdurige proeven met snelheden tot 800 tpm, hoge mechanische belastingen en mechanische legering. Ze zijn compatibel met alle RETSCH planetaire Kogelmolens. De EasyFit-serie introduceert de Advanced Anti-Twist (AAT) functie op de bodem van de 50-500 ml potten, wat zorgt voor een veilige bevestiging en verminderde slijtage, zelfs bij hoge snelheden. Het assortiment Slijpen potten heeft drie diametercategorieën - 12-25 ml, 50-125 ml en 250-500 ml - met verwisselbare deksels binnen de categorieën. De atmosfeer kan ook het succes van het mechanische legeringsproces beïnvloeden, meer precies zuurstof kan leiden tot de vorming van metaaloxiden, zodat het metaal minder beschikbaar is voor de vorming van de gewenste gemengde kristallen[2].
Aeration lids facilitate inert atmosphere operations, allowing gases like argon or nitrogen to be introduced. They can be customized with different inlays, making them versatile for various jar materials. The Emax jars also support these features.
Meetsysteem GrindControl GrindControl shows what’s happening inside the grinding jar – in real time
GrindControl provides real-time visibility into processes inside the grinding jar. Pressure and temperature are continuously monitored—ensuring safe, precise control, even with sensitive or reactive materials. Respond promptly to unexpected pressure spikes, and keep a close eye on temperature-sensitive samples and even mechanochemical reactions at all times.
GrindControl at a glance
- Real-time data on pressure & temperature
- Early detection of critical conditions
- Precise process control
- Protection of sensitive materials
- Reproducible results
Synthese van nieuwe batterijmaterialen
Mechanochemical synthesis has become particularly popular in the field of battery technology, where it is used to produce innovative electrolytes, separators or multiphase composites of high purity or to optimize their microstructure. For example, synthesizing novel solid electrolytes through a solvent-free process or improving their performance and stability. Another application is in environmentally-friendly recycling reactions such as the mechanochemical reduction of cathode material for lithium-ion batteries. All types of ball mills are suitable for mechanical synthesis. The chemicals involved are typically air-sensitive and expensive, so batch processing in small-cavity jars - as available for RETSCH Mixer Mills - is advantageous.
- Monstervolumes tot 6 x 20 ml
- Eindfijnheid*: 0,1 μm
- Celverstoring via het kloppen van de hiel
- Slijpen door impact en wrijving
Industrieën Mechanochemistry
onze oplossingen voor uw toepasssingen
Contacteer ons voor een vrijblijvend advies
Onze eigen vestigingen, samen met een breed netwerk van zusterbedrijven en vertegenwoordigingen in meer dan 80 landen garanderen optimale en professionele ondersteuning over producten en toepassingen.
Kies uw land op de kaart, om uw lokale partner te vinden of vul simpelweg onderstaand contactformulier in.
Mechanical Alloying - FAQ
Welke mixermolens zijn het meest geschikt voor mechanische legering?
Mixermolens die worden gebruikt voor mechanische legering zijn ook beschreven in de literatuur. Ook hier zijn mixermolens met een hoog toerental (tot 35 Hz) en dus energie-input zoals de MM 500 vario of de MM 500 nano gunstig. Aangezien temperatuurregeling ook van belang is voor mechanische legeringsprocessen, zijn de CryoMill en de MM 500 control goede opties.
Waarom zijn planetaire Kogelmolens populair voor mechanische legering?
Deze molens zijn zeer veelzijdig in termen van pottengrootte (12-500 ml), aantal potten dat tegelijkertijd kan worden gebruikt (maximaal acht) en het materiaal van de potten. Het aantal en de grootte van Slijpende kogels maken het mogelijk om verschillende omstandigheden te testen in mechanische legeringsprocessen. Ten slotte maken de beluchtingsdeksels het mogelijk om te Slijpen bij inerte atmosferen.
Hoe zit het met de Emay en zijn voordelen voor mechanische legering?
De Emax biedt een enorme energie-input tot 76 g, wat gunstig is voor mechanische legering. Bovendien kunnen de potten worden gekoeld, waardoor het mechanische legeringsproces beter kan worden gecontroleerd. Er zijn beluchtingsdeksels verkrijgbaar en verschillende potmaterialen en -afmetingen tot 125 ml.
Referenties
[1] Beelden en experimenten door A. Wagner, U. Pelz, Instituut voor Anorganische en analytische chemie, Albert Ludwigs University [2] E. Botcharova, M. Heilmaier, L. Schultz: Koper-niobiumlegeringen en een proces voor de productie ervan, Duits octrooi DE 102 10 423 C1 [3] Proefschrift Ekatarina Bocharova, Faculteit Werktuigbouwkunde, Technische Universiteit Dresden