Aliere mecanică cu Mori cu bile
Producția tradițională de aliaje implică de obicei topirea componentelor la temperaturi ridicate pentru a crea materiale precum oțelul inoxidabil. Cu toate acestea, atunci când sunt necesare doar cantități mici sau topirea nu este fezabilă pentru aliere, alierea mecanică oferă o alternativă viabilă. Acest proces utilizează mori cu bile pentru a suda și topi particulele de pulbere printr-o combinație de impact și deformare plastică.
La sfârșitul anilor 1960, această metodă a fost utilizată pentru a produce aliaje de nichel-fier. Acestea sunt rezistente la temperaturi ridicate și potrivite pentru aplicații aerospațiale. Alierea mecanică este o tehnică de prelucrare a pulberilor care realizează omogenitatea materialului prin sudarea repetată la rece, fracturarea și resudarea particulelor de pulbere.
Inițial, în acest fel se produc particule mai mari. Structurile de defecte crescute, cum ar fi dislocațiile, golurile și tensiunea în rețeaua cristalină a particulelor individuale, duc la o rată de difuzie crescută a atomilor acestora. Acest lucru are ca rezultat o fragilizare crescută, care promovează formarea fisurilor și ruperea ulterioară a particulei. Difuzia este susținută de o creștere a temperaturii generată de căldura prin frecare în vasul de măcinare. Procesul de fuziune și pliere continuă până când, după câteva minute sau ore, se realizează omogenizarea completă. În particulele de pulbere se formează secțiuni cristaline diminutive ale componentelor inițiale adiacente, care sunt numite „nanocristalite”.
Consumul de energie necesar în timpul alierii mecanice este asigurat de morile cu bile de înaltă energie și morile planetare cu bile, prin coliziuni puternice. Bilele de măcinare determină particulele fine să sufere o deformare plastică, ducând la fuziunea materialelor. Această tehnică permite producerea de aliaje atunci când metodele tradiționale de fuziune a metalelor sunt ineficiente. De asemenea, permite ajustări ale raporturilor de amestecare a componentelor. De asemenea, permit pre-măcinarea probelor pentru a reduce dimensiunea particulelor.
Freze potrivite pentru aliere mecanică
Moară cu bile cu energie mare Emax
Moară cu bile cu energie mare Emax este proiectată pentru măcinare cu energie ridicată, având o viteză de 2.000 min-1 combinată cu un design unic al vasului de măcinare, care produce o energie substanțială pentru reducerea dimensiunii. Se poate obține un aport enorm de energie de până la 76 g.
Emax funcționează pe baza unui mecanism dual de impact puternic și frecare intensă, rezultând un aport de energie ridicat, potrivit pentru măcinarea rapidă până la nanometri și pentru alierea mecanică. Acest efect este obținut prin forma ovală și mișcarea vaselor de măcinare, care urmează o traiectorie circulară fără a-și modifica orientarea, îmbunătățind amestecarea particulelor și obținând dimensiuni de măcinare mai fine și o distribuție mai uniformă a dimensiunii particulelor.
Emax este echipată cu un sistem specializat de răcire cu lichid, care disipă eficient excesul de energie termică, asigurându-se că proba nu se supraîncălzește, nici măcar în timpul perioadelor lungi de măcinare. Vasele de măcinare sunt răcite intern cu apă, permițând măcinarea continuă fără întreruperi în majoritatea scenariilor. Un răcitor extern poate fi conectat la sistemul intern de răcire al Emax pentru o reducere suplimentară a temperaturii. În plus, modul de control al temperaturii permite utilizatorilor să seteze temperaturi minime și maxime, șlefuirea continuând până la atingerea temperaturii maxime, urmată de o pauză de răcire până la atingerea temperaturii minime. Acest lucru asigură că pauzele de șlefuire sunt sincronizate optim, eliminând necesitatea încercărilor și erorilor pentru a determina duratele corecte. Per total, Emax este ideal pentru alierea mecanică.
Mori Planetare cu Bile
Morile planetare cu bile au fost utilizate de multe ori pentru alierea mecanică. Într-o moară planetară cu bile, fiecare vas funcționează ca o „planetă” care orbitează pe o platformă cunoscută sub numele de „roată solară”. Pe măsură ce roata solară se rotește, vasul se rotește și el pe propria axă, dar în direcția inversă. Această mișcare activează forțele centrifuge și Coriolis, determinând accelerarea rapidă a bilelor de măcinare. Rezultatul este o energie de pulverizare semnificativă care produce particule extrem de fine.
Accelerarea intensă a bilelor de măcinare de la o parte a vasului la alta creează un impact puternic asupra probei, ducând la o reducere suplimentară a dimensiunii prin frecare. De obicei, raportul de viteză dintre roata solară și vasul de măcinare este de 1:-2, ceea ce înseamnă că vasul face două rotații pentru fiecare rotație a roții solare. Acest raport este standard pentru majoritatea morilor planetare cu bile. Pentru aplicațiile de aliere mecanică, morile planetare cu bile cu un aport energetic mai mare și un raport de viteză de 1:-2,5 sau chiar 1:-3 sunt deosebit de eficiente.
Spre deosebire de Emax, aceste mori pot găzdui recipiente de măcinare mai mari, de până la 500 ml. Moară planetară cu bile PM 300, cu roata sa solară mare și o viteză maximă de 800 rpm, furnizează un aport energetic foarte mare, rezultând forțe g de până la 64,4 g. Cu două stații de măcinare, moara poate utiliza simultan până la patru recipiente de măcinare, de la 12 la 80 ml, pentru teste. Sunt disponibile și recipiente mai mari, de până la 500 ml, pentru procesele de upscaling în aceeași mașină. Aceasta, în special PM 300, oferă cele mai bune caracteristici pentru procesele de aliere mecanică.
Exemplu de materiale termoelectrice prin aliere mecanică
Siliciul și germaniul sunt materiale semiconductoare fundamentale care au revoluționat dezvoltarea dispozitivelor electronice, inclusiv a celulelor fotovoltaice și a tranzistoarelor. Prin variația proporțiilor de Si și Ge, proprietățile acestor aliaje pot fi modificate, afectând dimensiunea atomică, diferențele de masă și benzile interzise.
Aliajele termoelectrice compuse din Si și Ge sunt utilizate în misiunile spațiale în cadrul termogeneratoarelor radioizotopice pentru a alimenta sondele și instrumentele spațiale. Pentru aplicațiile comerciale termoelectrice, materialele pe bază de telurură de bismut (Bi2Te3) sunt primordiale datorită eficienței lor superioare de conversie. Elementele Peltier pe bază de telurură de bismut sunt utilizate în sistemele de răcire. Anterior, morile planetare cu bile erau utilizate pentru alierea mecanică a Si și Ge, dar acestea au întâmpinat mai multe probleme. Noua Moară cu bile cu energie mare Emax abordează aceste probleme prin prevenirea aglomerării materialului la viteze mari, eliminând astfel necesitatea unor pauze lungi și reducând timpul total de procesare. Tehnologia Emax facilitează o procesare eficientă și mai rapidă.
3,63 g de Si și 2,36 g de Ge au fost combinate într-un vas de măcinare din carbură de tungsten de 50 ml, folosind opt bile de măcinare de 10 mm, cu un raport probă/bilă de 1:10. Inițial, Si și Ge aveau dimensiuni ale particulelor de 1-25 mm, respectiv 4 mm. După o măcinare de 20 de minute la 2.000 rpm, ambele au fost pulverizate fără aglomerare. Alierea mecanică a continuat timp de nouă ore la 1.200 rpm, cu intervale de măcinare de o oră, urmate de pauze de un minut pentru inversarea rotației, pentru a preveni aglomerarea. Difracția de raze X (XRD) a măsurat materialul de pornire, arătând modelele distincte de linii ale Si și Ge, care s-au estompat în timp. Pe parcursul procesului, componentele aliajului au rămas sub formă de pulbere, iar temperatura Emax a rămas sub 30°C. După nouă ore, pulberile erau încă cristaline, cu puțin sau deloc material amorf.
Rezultate prezentate de Amalia Wagner. Institutul de Chimie Anorganică și Analitică, Universitatea Albert Ludwigs[1]
Influența raportului pulbere-bile asupra rezultatelor obținute prin aliere mecanică
Pentru alierea mecanică, abordarea umplerii bilelor se abate de la regula convențională a unei treimi (1/3 bile, 1/3 probă, 1/3 spațiu gol), din cauza nevoii frecvente de accelerare mare și a lipsei ocazionale de material pentru probă (educte). Accentul se mută pe utilizarea unui raport de masă specific, ceea ce necesită luarea în considerare a cantității de reactant și o decizie clară cu privire la raportul de masă care trebuie utilizat. În plus, dimensiunea bilelor trebuie determinată pentru a calcula cantitatea necesară de bile, utilizând greutatea lor specifică, care variază în funcție de dimensiune și material. Odată ce numărul de bile este stabilit, dimensiunea necesară a vasului de măcinare devine evidentă. Având în vedere că cantitatea de probă din vasele este de obicei foarte mică, există un risc mai mare de deteriorare atât a bilelor, cât și a vaselor, decât în cazul respectării regulii tradiționale a unei treimi.
Un raport de masă (g/g) de 1:10 este utilizat în mod obișnuit pentru alierea mecanică, dar sunt posibile și 1:5 sau 1:15. Aceasta înseamnă că, atunci când se utilizează educte de 15 g, sunt necesare bile de 150 g. Deoarece este necesar un impact mare, bilele >10 mm sunt foarte comune pentru alierea mecanică. 150 g = 20 x 10 mm bile din carbură de tungsten a câte 7,75 g fiecare. Pentru 20 x 10 mm bile, este necesar un volum minim al borcanului de 50 ml, mai bine chiar 80 ml (consultați umpluturile recomandate ale borcanelor pe paginile produselor morilor planetare cu bile).
| Volum nominal incintă de măcinare |
Volum probă | Dimensiune max. probă | Ø 5 mm* | Ø 7 mm* | Ø 10 mm* | Ø 15 mm* | Ø 20 mm* | Ø 30 mm* |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 12 ml | până la ≤ 5 ml | < 1 mm | 50 | 15 | 5 | - | - | - |
| 25 ml | până la ≤ 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 |
*Încărcătura de bile recomandată (bucăți)
Tabelul prezintă încărcăturile recomandate (în bucăți) de bile de măcinare de diferite dimensiuni, în raport cu volumul vasului de măcinare, cantitatea de probă și dimensiunea maximă de alimentare.
Dacă raportul bile-pulbere este prea mare, bilele nu se mai pot mișca eficient, reducând eficiența procesului de aliere. Pentru a determina eficacitatea diferitelor raporturi pulbere-bile de măcinare, a fost efectuat un experiment utilizând un vas de măcinare din oțel de 50 ml și zece bile de măcinare din oțel de 10 mm. Pentru un raport de 1:10, s-au utilizat 2,09 g de bismut și 1,91 g de telur, în timp ce un raport de 1:5 a implicat 4,18 g de Bi și 3,83 g de Te. Materialele au fost procesate timp de 70 de minute la 800 rpm, cu cicluri de 10 minute de măcinare urmate de o pauză de un minut pentru inversarea programată a direcției. Analiza XRD a fost efectuată după prima oră de aliere mecanică. Aceasta a relevat o deplasare a reflexelor Bi și Te către Bi2Te3, indicând formarea aliajului. Raportul 1:10 a arătat o formare puțin mai rapidă a Bi2Te3. Proba cu un raport de 1:5 a avut o intensitate mai mare a reflexului de telur, sugerând mai mult telur rezidual în comparație cu proba de 1:10. Procesul de aliere a continuat timp de încă trei ore la 1.200 rpm fără aglomerare. Alierea mecanică anterioară a Bi2Te3 într-o moară mixer dura 6,5 ore la 1.200 rpm. Cu toate acestea, folosind Moară cu bile cu energie mare Emax, procesul a fost finalizat în doar două până la trei ore.
Difractograma pulberii după o oră de aliere mecanică a Bi și Te în Emax, raport pulbere/bile 1:10 (stânga), raport pulbere/bile 1:5 (dreapta).
Rezultate prezentate de Uwe Pelz, Institutul de Chimie Anorganică și Analitică, Universitatea Albert Ludwigs [1]
Influența materialului sculei de rectificat și a vitezei mașinii
Influența materialelor utilizate pentru recipiente și bilele de măcinare este semnificativă în eficiența alierii. Doi factori cheie sunt energia de intrare, care se corelează cu densitatea materialului, și rezistența la abraziune a materialului. Viteza morii afectează, de asemenea, energia de intrare, care crește odată cu densitatea materialului și viteza morii. Materialele cu densitate mare, cum ar fi carbura de tungsten, duc la o accelerare mai mare a bilelor de măcinare la o anumită viteză, ceea ce duce la un impact energetic mai mare asupra probei și la o acțiune de concasare mai eficientă. Cu toate acestea, pentru materialele ductile, energia excesivă poate împiedica procesele eficiente de aliere, determinând proba să formeze un strat care aderă la recipiente și încapsulează bilele de măcinare, perturbând formarea nanocristalitelor și complicând recuperarea probei. Rezistența ridicată la abraziune a carburii de tungsten este avantajoasă în minimizarea uzurii.
Controlled Atmosphere Milling with Advanced Grinding Jar Design
Vasele de măcinare EasyFit sunt proiectate pentru condiții solicitante, inclusiv teste pe termen lung la viteze de până la 800 rpm, sarcini mecanice mari și aliere mecanică. Sunt compatibile cu toate morile planetare cu bile RETSCH. Seria EasyFit introduce funcția Advanced Anti-Twist (AAT) pe fundul vaselor de 50-500 ml, asigurând o fixare sigură și o uzură redusă, chiar și la viteze mari. Gama de vasele de măcinare are trei categorii de diametru - 12-25 ml, 50-125 ml și 250-500 ml - cu capace interschimbabile în cadrul categoriilor. Atmosfera poate influența, de asemenea, succesul procesului de aliere mecanică, mai precis oxigenul poate duce la formarea de oxizi metalici, astfel încât metalul este mai puțin disponibil pentru formarea cristalelor mixte dorite[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.
Sistemul de măsurare 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
Sinteza de noi materiale pentru baterii
Sinteza mecanico-chimică a devenit deosebit de populară în domeniul tehnologiei bateriilor, unde este utilizată pentru producerea de eletroliți inovatori, separatori sau compozite multifazice de înaltă puritate, precum și pentru optimizarea microstructurii acestora. De exemplu, sinteza electroliților solizi printr-un proces fără solvenți sau îmbunătățirea performanței și stabilității acestora. O altă aplicație este în reacțiile de reciclare prietenoase cu mediul, cum ar fi reducerea mecanico-chimică a materialului catodic pentru bateriile litiu-ion. Toate tipurile de mori cu bile sunt potrivite pentru sinteza mecanică. Substanțele chimice implicate sunt de obicei sensibile la aer și costisitoare, astfel încât procesarea în loturi în incinte mici- disponibile pentru Morile Mirxer de la Retsch- este avantajoasă
- Volume de probă de până la 6 x 20 ml
- Granulație finală*: 0.1 µm
- Dezintegrarea structurilor celulare
- Măcinare prin impact și frecare
Industrii Mechanochemistry
soluțiile noastre pentru aplicațiile dumneavoastră
Contact us for a free consultation
Filialele noastre, împreună cu o reţea vastă de companii şi agenţii înrudite din peste 80 de ţări, pun la dispoziţie, la nivel mondial, consultanţă de specialitate privind produsele şi aplicaţiile noastre, precum şi servicii de reparaţii comprehensive.
Mechanical Alloying - FAQ
Ce mori de amestecare sunt cele mai potrivite pentru alierea mecanică?
Morile de amestecare utilizate pentru alierea mecanică au fost, de asemenea, descrise în literatura de specialitate. Din nou, morile de amestecare cu viteză mare (până la 35 Hz) și, prin urmare, cu consum de energie, cum ar fi MM 500 vario sau MM 500 nano, sunt benefice. Deoarece controlul temperaturii este, de asemenea, important pentru procesele de aliere mecanică, CryoMill și MM 500 control sunt opțiuni bune.
De ce sunt morile planetare cu bile populare pentru alierea mecanică?
Aceste mori sunt foarte versatile în ceea ce privește dimensiunile borcanelor (12-500 ml), numărul de borcane care pot fi utilizate simultan (până la opt) și materialul borcanelor. Numărul și dimensiunea bilelor de măcinare permit testarea diferitelor condiții în procesele de aliere mecanică. În cele din urmă, capacele de aerare permit măcinarea în atmosferă inertă.
Dar cum rămâne cu Emay și beneficiile sale pentru alierea mecanică?
Emax oferă un aport energetic enorm de până la 76 g, ceea ce este benefic pentru alierea mecanică. În plus, borcanele pot fi răcite, permițând un control mai bun al procesului de aliere mecanică. Sunt disponibile capace de aerare și borcane din diferite materiale și dimensiuni, până la 125 ml.
Referințe
[1] Fotografii și experimente de A. Wagner, U. Pelz, Institutul de Chimie Anorganică și Analitică, Universitatea Albert Ludwigs [2] E. Botcharova, M. Heilmaier, L. Schultz: Aliaje de cupru-niobiu și un procedeu pentru producerea lor, brevet german DE 102 10 423 C1 [3] Disertație Ekatarina Bocharova, Facultatea de Inginerie Mecanică, Universitatea Tehnică din Dresda