Efteruddannelse i Materialeteknologi Kursus M 3 Fremstillingstekni k Pulvermetallurg i Kursusmateriale udviklet under lov 271 om efteruddannels e i et samarbejde melle m Danmarks Ingeniørakademi, Dansk Teknologisk Institut, FORCE Institutterne og Forskningscenter Ris ø 1994
Fremstillingstekni k Pulvermetallurg i 1. udgave, 1. oplag 1994 Undervisningsministeriet Lov 27 1 Grafisk design : Grethe Jensen og Inger Vedel, DTI Grafi k Sats : Repro-Sats Nord, Skage n Tryk : Omslag : Reproset, København Indhold : DTI Tryk, Taastru p DTI Forlag Dansk Teknologisk Institu t ISBN 87-7756-341-7 Kopiering i uddrag er tilladt med kildeangivelse
Fremstillingstekni k Pulvermetallurgi Forord 7 Forord til M3 9 1 Pulverfremstilling 1 1 1.1 Indledning 1 1 1.2 Pulverfremstilling ved reduktion af metalforbindelser 1 1 1.3 Atomisering 13 1.3.1 Vandatomisering 13 1.3.2 Gasatomisering 16 1.3.3 Øvrige atomiseringsmetoder 18 1.4 Andre metoder til fremstilling af metalpulvere 2 0 1.4.1 Pulverfremstilling ved hjælp af carbonylforbindelser 2 0 1.4.2 Elektrolyse 2 0 1.4.3 Hydrometallurgi 2 1 1.4.4 Mekaniske metoder 2 1 1.4.5 Ultrafine pulvere 2 1 2 Karakterisering af pulvere og miljømæssige forhold 23 2.1 Indledning 23 2.2 Størrelse og størrelsesfordeling 2 3 2.3 Metoder til måling af partikelstørrelse 2 7 2.3.1 Billedanalyse 2 7 2.3.2 Sigteanalyse 2 8 2.3.3 Spredning af lys 3 0 2.3.4 Andre metoder 3 1 2.3.5 Kalibrering og referencematerialer 32 2.4 2.5 2.6 Morfologi 3 2 Overfladeareal 34 Flydeegenskaber 3 5
2.7 2.8 Kemiske og fysiske egenskaber 3 5 Helsefysiske forhold 3 6 3 Pulveroparbejdning 3 9 3.1 Additiver 3 9 3.2 Smøremidler 4 0 3.3 Blande- og legeringsteknikker 4 4 4 Kompaktering 49 4.1 En-akset presning 5 0 4.2 Kold isostatisk presning (CIP) 53 4.2.1 Procesudstyr 54 4.2.2 Trykkamre 54 4.2.3 Pumper 55 4.2.4 Fremstilling af flexible forme 55 4.2.5 Valg af flexibelt materiale 5 7 4.2.6 Fremtidige muligheder for CIP 6 0 4.3 Varm isostatisk presning (HIP) 60 4.3.1 Historisk oversigt 62 4.3.2 Procesudstyr 63 4.3.3 Trykkammer 64 4.3.4 Ovne 64 4.3.5 Kompressorer 65 4.3.6 Kontrolsystemer 65 4.3.7 Sikkerhed ved HIP-udstyr 66 4.3.8 Materialer til fremstilling af flexible forme 66 4.3.9 Procesparametre 6 7 4.4 Sprøjtestøbning 69 4.4.1 Procestrin 70 4.4.2 Pulver 7 1 4.4.3 Binder og additiver 7 1 4.4.4 Blanding / kompoundering 72 4.4.5 Sprøjtestøbning 72 4.4.6 Binderafdrivning 73 4.4.7 Sintring 73 4.4.8 Begrænsninger og fremtidige muligheder 74
4.5 Sintersmedning 7 4 4.5.1 Design af udgangsemne 76 4.5.2 Sintring og smedning 76 5 Sintring 79 5.1 Afdrivning af binde- og smøremidler 80 5.2 Fast fase sintring af rent metal 81 5.2.1 Makroskopiske fænomener ved sintring 8 1 5.2.2 Den fysiske baggrund for sintringen 84 5.2.3 Materialetransport ved sintring 87 5.2.4 De drivende kræfter for transportmekanismerne 89 5.2.5 Sintringsmekanismer 9 1 5.2.6 Sintringsdiagrammer 97 5.2.7 Pressetrykkets indflydelse 98 5.2.8 Fast-fase sintring af legeringssystemer 98 5.3 Flydende-fase sintring 99 5.4 Sintringspraksis 10 7 5.4.1 Ovnudstyr 10 7 5.4.2 Sintringsatmosfære 11 1 6 Efterbehandling 11 7 6.1 Kalibrering 11 7 6.2 Imprægnering 11 8 6.3 Dampoxidering 11 8 6.4 Hærdning 11 9 6.5 Overfladebehandling 11 9 6.6 Lodning/svejsning 12 0 6.7 Spåntagende bearbejdning 12 1 7 Andre P/M materialer og deres egenskaber.... 12 5 7.1 Elektrotekniske og magnetiske materialer 12 5 7.1.1 Kontaktmaterialer 12 5 7.1.2 Glødetråde 12 6 7.1.3 Permanente magneter 12 6 7.1.4 Bløde magneter 130
7.2 Friktionsmaterialer 13 1 7.2.1 Sintrede friktionsmaterialer 132 7.3 Tribologiske egenskaber 13 3 7.3.1 Slidformer 134 7.3.2 P/M materialers tribologiske egenskaber 136 7.3.3 Topografi 141 7.4 Massive PIM materialer 14 4 7.4.1 Pulverbaserede værktøjsstål 14 5 7.4.2 Rustfrie stålrør fremstillet af pulver 14 7 7.5 P!M aluminiumslegeringer 14 8 7.5.1 Egenskaber og kemisk sammensætning 14 8 7.5.2 Tolerancer 15 1 7.6 Kobberbaserede materialer 151 Stikord 16 1
Forord Denne lærebog indgår i et omfattende, modulopbygget system af efteruddannelseskurser,»efteruddannelse i Materialeteknologi«, som har til formål at ruste dansk erhvervsliv til at arbejde optimalt med såvel nye som kendte materialetyper. Systemet dækker således alle materialetyper fra støbejern, stål, rustfrit stål, aluminium og diverse metallegeringer ove r plast, fiberforstærket plast og sandwichmaterialer til keramiske og pulvermetallurgiske materialer. For hver materiale - type vil der være kurser i relevante emner som grundlæggende materialekendskab, materialevalg, forarbejdning o g konstruktion, nedbrydningsformer og tilstandskontrol. Tanken med det modulopbyggede efteruddannelsessyste m er, at virksomheder eller enkeltpersoner har mulighed for at sammensætte et kursusforløb, som er tilpasset det aktuelle behov, hvad enten det drejer sig om at gå i dybde n med et materialeområde, eller man ønsker at udvide sin e kvalifikationer til flere materialetyper fx inden for et emn e som forarbejdningsprocesser. Det er naturligvis vort håb, a t denne lærebog enten i forbindelse med det pågældende kur - sus eller ved selvstudium vil være et godt bidrag til en så - dan opgradering af kvalifikationerne hos den enkelte. For at bogen kan tjene både som kursusmateriale, opslagsbog og kilde til supplerende viden, er den forsynet me d mange figurer, der underbygger teksten, samt margentekste r og index, der letter opslag. Visse afsnit i teksten vil være skrevet med andre typer, samt forsynet med en grå streg langs margen som indikation af, at det pågældende afsnit speciel t henvender sig til læsere med ingeniørmæssig baggrund el.lign.. I forbindelse med kurser vil bogen blive ledsaget a f en arbejdsmappe indeholdende supplerende materialer, øvelsesvejledninger, opgaver m.v. Kurserne er udviklet i et konsortium bestående af Danmark s Ingeniørakademi (maskinafdelingen), Dansk Teknologisk Institut, FORCE Institutterne og Forskningscenter RISØ samt en række danske virksomheder. En række medarbejdere i virksomhederne har bidraget til udviklingsarbejdet i form af klarlægning af behov og løbende vurdering af materialet ve d 7
deltagelse i følgegrupper. Udviklingsarbejdet er foretaget med støtte fra Undervisningsministeriet (Lov 271 Lov om Efteruddannelse), og herunder har Indsatsgruppen for Materialeteknologi samt de tilknyttede referees ligeledes ydet en god indsats med henblik på afstemning mellem erhvervslivets behov og materialets indhold. Taastrup, marts 199 4 På konsortiets vegne Lorens P. Sibbesen (projektadministrator) 8
Forord til M 3 Den foreliggende bog udgør sammen med en arbejdsmappe det kursusmateriale, der anvendes i M3 : Fremstillingstekni k - Pulvermetallurgi. Dette kursus giver en grundig indførelse i fremstillingen a f pulvermetallurgiske komponenter og P/M materialers specifikke egenskaber : Pulverfremstillin g Karakterisering og miljøforhold Pulveroparbejdning og kompaktering Sintring Efterbehandlin g Elektriske/magnetiske egenskabe r Friktion og tribologiske egenskabe r Nærværende bog er en fortsættelse af den i 1992 udgivne bog Ml: Materialekendskab, Pulvermetallurgiske materialer. Udarbejdelsen af materialet er foregået i samarbejde med Centret for Pulvermetallurgi under det materialeteknologiske udviklingsprogram. Følgende forfattere har medvirket : Ole Kræmer, Dansk Teknologisk Institut, afsnit 4, 7.2, 7.4 og 7. 5 Allan Schrøder Pedersen, Forskningscenter Risø, afsnit 1 og 2 Per Kjeldsteen, Danfoss A/S, afsnit 7.3 Niels Strathe Mikkelsen, Grundfos A/S, afsnit 3, 5.3, 5.4, 6 o g 7. 6 Knud Aage Thorsen, Danmarks tekniske Højskole, afsnit 5.1, 5.2 og 7. 1 Taastrup, juni 1994 Jan Lemkow Dansk Teknologisk Institut 9
Pulverfremstilling 1 Indledning 1. 1 Pulvermetallurgi betegnes ofte og med rette som en avance - ret fremstillingsteknik. Man benytter hypermoderne maskiner og kan ved hjælp af pulver fremstille avancerede materialer med fremragende egenskaber. Men det er langt fra nogen ny teknik at producere metalliske emner ud fra pulverformige materialer uden at benytte sig af smeltning. Det vides ikke præcist, hvornår de første jernbaserede metal - materialer blev fremstillet; men det ligger adskillige tusinde år tilbage i tiden og metoden var baseret på pulverteknik. Man beherskede nemlig ikke opvarmningsmetoder, der kun - ne nå tilstrækkelige temperaturer til smeltning af jern. Pulverlignende teknologier ha r været anvendt allerede i oldtiden Sandsynligvis blev fremstillingsmetoderne først udviklet i Mellemøsten eller Afrika. Man opvarmede blandinger af jernoxider, trækul og (kalkholdige) skaller fra skaldyr ved hjælp af en blæsebælg. Derved kunne man reducere jernoxiderne og der blev dannet et svampet, metallisk jernmaterial e bestående af små partikler, som kunne hamres sammen ti l mere massive klumper i varm tilstand. Disse materialer m å have indeholdt betydelige mængder af ikke-metalliske urenheder. Der kendes dog bemærkelsesværdige eksempler p å gode, bestandige strukturer fremstillet på denne måde. Pulverfremstilling ved reduktion af metalforbindelser Fremstilling af metalpulver ved reduktion af pulverformige oxider er som nævnt i afsnit 1.1 den ældste metode og det e r i dag tillige en af de dominerende metoder til fremstilling a f pulver til industriel anvendelse. Den form, som metoden an - vendes i nu, blev udviklet i Höganäs i Sverige i begyndelsen af dette århundrede. Processen benytter jernoxid (i Höganäs benyttes ren magnetit, Fe 304, fra de nordsvenske forekomster) som formales, tørres og magnetsepareres fra forskellige urenheder. Som re - duktionsmiddel blandes en kulstofkilde, som f.eks. koks, 1.2 Jernoxid reduceres med kulstof 11
med kalksten, som reagerer med svovl i kulstoffet og forhindrer svovlholdige indeslutninger i det færdige jernpulver. Oxid og kulstofblanding fyldes derpå i keramiske rør af siliciumkarbid, således at der inderst er en kerne af kulstofblanding, dernæst et lag af oxider og til sidst atter et lag af kul - stofblanding. De fyldte, keramiske rør føres gennem en lang (150-200 m) tunnelovn, hvor der opvarmes til omkring 1200 C. Ved denne behandling finder en længere række af kemiske reaktioner sted. Nettoresultatet er, at kulstoffet reagerer med oxygenatomeme fra oxiderne under dannelse af kuldioxid og frit jern. Jernpartiklerne sintrer til en vis grad sammen i rørform o g der dannes et produkt, som kaldes svampejern og som slutteligt behandles ved formaling, separering og evt. størrelsesfraktionering, samt en varmebehandling for at blødgøre partiklerne, der er hærdede fra formalingsprocesserne. Pulveret sintrer under denne varmebehandling igen sammen, men kun svagt og kan adskilles ved en let formaling og sigtning. Pulveret er herefter klar til anvendelse. Et eksempel på den partikelform, der opnås ved den beskrevne proces, er vist i figur 1.1. Partiklen er meget porøs og minder om en klassisk svamp. Denne form giver gode presseegenskaber for pulveret og gør det meget anvendeligt til pulvermetallurgisk produktion. Figur 1. 1 Mikrofoto af metalpartikle r fremstillet ved reduktion af oxid 12
Atomisering 1.3 Atomisering kan i partikelsammenhæng defineres som op - brydning af en væske i fine dråber. Ordet "atomisering" må ikke give associationer til enkeltatomer, der ligger mange størrelsesordener fra traditionelle pulverpartikler. Atomisering kan ske ved sammenstød mellem væsken og en anden væske eller en gas. Alternativt kan atomisering ske ved hjælp af centrifugalkræfter eller, hvis væsken indeholder en signifikant mængde gas, ved eksponering for vakuum, s e afsnit 1.3.3. Metalpulver fremstillet ved atomiseringsprocesser får en sta - digt stigende betydning i industrielle anvendelser. Det er der flere grunde til : Atomisering kan ske med en relativt høj proceshastighe d (op til flere hundrede kg/min). Partikelstørrelse og -størrelsesfordeling samt -form o g overfladestruktur kan styres indenfor visse rammer. Der er meget omfattende direkte legeringsmulighede r knyttet til atomiseringsteknikker og samtidig opnås en ensartet kvalitet. Vandatomisering 1.3. 1 Ved vandatomisering rettes kraftige vandstråler under høj t tryk mod en strøm af smeltet metal, hvorved smelten forstøves. Figur 1.2 viser i diagramform funktionen af et vandatomiseringsanlæg. I det viste princip tilføres der smeltet meta l eller legering til en tragt, hvorfra det løber videre gennem bundhullet og ned i et, ofte cirkulær, arrangement af vandstråler. Her finder forstøvningen sted. Udløbshastigheden a f metalsmelten er bestemt af diameteren af udløbshullet i bun - den af tragten og denne hastighed har sammen med tryk o g hastighed af vandstrålerne afgørende betydning for isæ r størrelsen af de dannede partikler. Ved vandatomisering forstøves en smeltet metalstrøm ved hjæl p af vandstråler Smeltningen sker ofte, som vist på figuren, uafhængigt af selve forstøvningsprocessen. Derved er det muligt at holde fremstillingsprocessen i gang uden afbrydelser, idet man kan benytte flere smeltedigler eller på anden måde tilføre smelten løbende. Tragten, der reelt blot er en anden digel med et 13
Figur 1. 2 Principdiagram for vandatomiseringsprocessen Til separation a f vand og partikle r bundhul, fungerer da som reservoir, der udjævner svingningerne i tilførsel af smelte. Til smeltningen benyttes, afhængig af metallet eller legeringen, som regel induktionsopvarmning i luft, argon eller evt. vakuum. Andre opvarmningsformer finder dog også anvendelse, som f.eks. opvarmning ved gas eller andet brændsel. Der anvendes typisk en opvarmning til 100-150 C over materialets smeltetemperatur for at undgå problemer med utilsigtet størkning under processen og evt. for at opnå de rett e værdier for viskositet og overfladespænding. 14
Der anvendes en lang række forskellige udformninger a f vanddyserne. Eftersom disse bestemmer vandstrømmen og - mønsteret har de betydning for effektiviteten af forstøvningen. Det er i høj grad en erfaringssag at finde et godt design for vanddyserne og mange dyseudformninger er derfor beskyttet af patenter eller holdes hemmelige. Som en tommel - fingerregel kan det dog siges, at højt vandtryk, stor vandhastighed og lav udløbshastighed af smelten giver små partik - ler. De vandtryk, der anvendes i konventionel vandatomisering ligger normalt i området 50-200 bar, med flow op til 30 0 1/min. Der benyttes som regel smelteflow op til 100 kg/min og med disse parametre dannes typisk pulver med en middeldiameter omkring 100 gm. Efter forstøvningen bratkøles de enkelte partikler dels ved mødet med vandet fra dyserne og dels ved at ende i et vandfyldt bassin. Der kan på denne måde opnås kølehastigheder i området 103-105 K/sek. Pulveret adskilles endelig fra vandet, tørres og glødes evt. før det er klar til brug. Partiklerne køles meget hurtig t ved atomisering Den partikelform, der dannes ved vandatomisering, er vis t på figur 1.3. Formen kunne overfladisk minde om formen vist på figur 1.1 for en reduceret partikel, men den vandatomiserede partikel er ikke porøs i det indre, kun overfladen er uregelmæssig (partiklens tilsyneladende densitet er større). Denne form giver imidlertid også gode presseegenskaber o g der opnås en relativt høj grøn og sintret densitet. Vandatomi - seringen giver yderligere pulver af høj renhed og processen er derfor meget anvendt, især hvor der stilles krav til P/M- Figur 1. 3 Mikrofoto af metalpartikle r fremstillet ved vandatomiserin g (rustfrit stål ) 15
materialernes kvalitet med hensyn til mekaniske egenskaber. Det anslås, at der i dag på verdensplan fremstilles lige så meget eller måske mere pulver ved vandatomisering som ved reduktion af oxider. På grund af den massive tilstedeværelse af vand under atomiseringsprocessen er en lang række metaller og legeringe r udelukket fra at blive vandatomiseret. Det gælder især materialer baseret på letmetallerne aluminium, magnesium og titan. Vandatomisering finder først og fremmest anvendelse p å jernbaserede legeringer, herunder rustfri stållegeringer, hvo r metoden er langt den dominerende fremstillingsmetode. Vandatomisering benyttes desuden til kobberbaserede lege - ringer samt visse specielle aluminiumlegeringer. 1.3.2 Ved gasatomisering forstøves smeltet metal med gasstråler Gasatomiserin g Gasatomisering har mange paralleller til vandatomisering, men der anvendes som navnet udtrykker gasser til forstøvningsprocessen. De anvendte gasser er overvejende luft, nitrogen, argon og helium, der i princippet erstatter vandet i figur 1.2. Ved vandatomisering benyttes ofte den såkaldte "frit fald konfiguration", hvor metalsmelten løber ud af tragten udelukkende ved hjælp af gravitation og derefter falder frit en kort vej inden den rammes af vandstrålerne. Denne konfiguration benyttes også ved gasatomisering, men mere almindeligt er et lukket design, hvor gasstrømmen rammer metalsmelten umiddelbart efter udløbsrøret. Ved dette princip kan gasstrømmen påvirke trykket ved smelteudløbet, så ma n derigennem kan styre udløbhastigheden og evt. helt stoppe smeltestrømmen. Procesteknisk foregår gasatomisering som vandatomisering. Mange anlæg er dog indrettet til batch-vis drift, altså afvikling af en afmålt smeltemængde og derefter produktionsafbrydelse. Der findes imidlertid også gasatomiseringsanlæg, der kontinuert 24 timer i døgnet gasatomiserer metalpulvere under fortsat tilførsel af smelte til dysesystemet. En stor fordel ved gasatomisering er at processen kan udføres under helt rene betingelser, hvor ingen kemiske reaktioner kan finde sted. Det har især betydning for letmetallerne, som på grund af deres store reaktivitet overfor ilt oftest må 16
fremstilles under inert gas som argon eller helium. Disse me - taller kan fremstilles helt rene og evt. også viderebehandle s under inert gas i handskeboks. Der er således ingen materialemæssige begrænsninger for processen, men de smelterelaterede grænser der ligger i reaktioner mellem smelte og digelmateriale (som med titan) er gældende her som ved andre processer. Gasatomisering giver oftest kug- lerunde partikle r På grund af overfladekræfterne antager gasatomiserede pulverpartikler form som små kugler. Denne form ændres ikke, eller kun ved sammenstød mellem partikler, under partikler - nes videre flugt, hvor størkningen finder sted. De færdige, størknede partikler er derfor kuglerunde, hvilket giver væ - sentligt dårligere presseegenskaber end for de vandatomise - rede. Figur 1.4 viser et eksempel på gasatomiserede pulver - partikler. Figur 1.4 Mikrofoto af metalpartikle r fremstillet ved gasatomiserin g (Cu 6% Sn ) De gastryk, der arbejdes med ved gasatomisering, ligger i området 20 og helt op til 200 bar og de partikelstørrelser, der dannes, ligger med middeldiametre fra ca. 20 og op til flere hundrede gm. Partikelstørrelsen er først og fremmest bestemt af det anvendte forhold mellem gas og metal, således at et stort gas/metal-forhold giver små partikler. Selve gastrykket synes ikke at spille en afgørende rolle for partikelstørrelsen. En særlig art af gasatomisering kaldes Ultrasonisk Gas Atomisering. Ved denne teknik er gasdysen udformet så gassen 17
rammer smelten i form af trykpulser fra chokbølger. Teknikken hævdes at give mere udbytte i det lave partikelstørrelsesområde. En eventuel effekt er imidlertid tvivlsom. Den store køle- og dermed også størkningshastighed, man opnår ved gasatomisering, betyder at de størknede partikler får en meget fin mikrostruktur og at man kan fastfryse faser eller sammensætninger, som ikke kan opnås, hvis størkningen sker under ligevægtsforhold, som det er tilfældet ved størkning i strukturer af større dimensioner, kendt fra støbeprocesser (sejringsfænomener). Den kuglerunde partikelfacon, som gasatomiseringen medfører, giver disse pulvere dårlige presseegenskaber og man e r derfor ofte henvist til at benytte andre kompakteringsmetoder. Varm isostatisk presning (Hot Isostatic Pressing) er en industrielt brugt metode til konsolidering af gasatomiseret pulver. Ved at benytte HIP kan en del af de materialemæssige fordele ved de hurtigt størknede partikler bevares som f.eks. en fin og jævn fordeling af legeringselementer i højt legerede materialer. Dette udnyttes eksempelvis til fremstilling af høj t legerede rustfri stål, værktøjsstål og high-speed stål. Et andet pulverteknologisk område, hvor man med fordel benytter de runde gasatomiserede pulvere er sprøjtestøbning (Metal Injection Moulding). Gasatomiseret pulver giver her en nemmer e bindertilblanding, bedre fyldning af formen og mindre svind end vandatomiserede pulvere (minimal bindermængde). Endelig bør det nævnes, at gasatomiserede pulvertyper finder anvendelse i forskellige pålægningsmetoder som plasmabue-svejsning, flamme- og plasmasprøjtning. 1.3.3 Der er udviklet mange specialiserede atomiseringsteknikker Midge atomiseringsmetoder Med henblik på at opnå særlige egenskaber af atomiserede pulvere er der udviklet en række specielle teknikker, som alle i større eller mindre grad er baseret på de ovenfor nævnte prin - cipper for findeling af smeltet metal. Følgende skal nævnes : A. Olieatomisering : Metoden er identisk med vandatomisering, men der an - vendes forskellige kulbrinter i form af olie til forstøvningsprocessen. Formålet er at undgå den oxidation, so m er så at sige indbygget i vandatomiseringen. Olieatomisering har været benyttet til fremstilling af højkvalitetsstå l 18
med lavt indhold af oxygen. På grund af pyrolyse af kulbrinterne medfører olieatomisering til gengæld ved høje - re temperaturer optagelse af kulstof og en efterfølgend e fjernelse af dette vil derfor tit være påkrævet. B. Roterende Elektrode Atomisering : Ved denne proces smeltes materiale i den ene ende af en rund stang, der er i hurtig rotation omkring sin ege n længdeakse. Derved slynges smeltede dråber af metallet fri på grund af centrifugalkræfterne. Der opnås en sfærisk partikelform som ved gasatomisering. Fordelen ved metoden er at metallet ikke er i kontakt med noget digelmateriale og derfor ikke danner kemiske reaktionsprodukter i den forbindelse. C. Vakuum Atomisering: En smelte der er overmættet med en gasart vil ved pludselig eksponering for vakuum søge at frigive gasarten meget hurtigt. Gasfrigørelsen, der afhængig af omstændighederne kan antage næsten eksplosionsagtig karakter, vil medrive dele af smelten og denne proces udnyttes ti l pulverfremstilling. Ofte benyttes hydrogen som den op - løste gas (under forudsætning af at hydrogen har en tilstrækkelig opløselighed i metallet). Der opnås sfærisk e partikler, som dog ofte indeholder en restkoncentration a f den benyttede gasart. D. Roterende Disk Atomisering: Ved denne proces løber en metalsmelte ned på en hurtigt roterende disk hvorfra smeltede dråber udslynges af centrifugalkræfterne. Processen kan kombineres med en efterfølgende hurtig køling med inert gasart. Der opnå s sfæriske partikler. E. Spinning Cup Atomisering : Processen benytter en hurtigt roterende kop, der er udformet så den kan indeholde en bratkølende væske unde r rotationen. Indledningsvis gasatomiseres metalsmelten. Umiddelbart efter gasatomiseringen rammer partiklerne den hurtigt roterende væskeoverflade og der sker her e n yderligere findeling af dråberne samtidig med at de ud - sættes for en bratkøling i væsken. Den sidstnævnte proces er et eksempel på kombination af t o teknikker til findeling af metalsmelte. Der findes en lang 19
række andre kombinationer, som imidlertid ikke skal nævnes her, idet de ikke spiller nogen praktisk rolle og i de fleste tilfælde næppe giver resultater, der står mål med de eksperimentelle anstrengelser ved kombinationen. 1.4 1.4.1 Carbonylpulvere er meget rene Andre metoder til fremstilling af metalpulvere Pulverfremstilling ved hjælp af carbonylforbindelse r En række metaller, og herunder specielt jern og nikkel, dan - ner meget stabile kompleksforbindelser med kulmonoxi d (den stærke giftvirkning af denne gas består i kompleksdannelse med blodets jern), såkaldte metalcarbonyler, som oft e er flygtige. Jern danner forbindelsen Fe(CO)5, jern pentacarbonyl, ved direkte reaktion med kulmonoxid. Carbonylforbindelsen, der for jern er en væske ved stuetemperatur, ren - ses derefter ved destillation og kan derpå sønderdeles til metal og gas ved fordampning og opvarmning. Materialerne, der opnås på denne måde er på grund af destillationen meget rene med hensyn til de fleste andre grund - stoffer, men kulstof og oxygen vil naturligvis være til stede i et vist omfang. Disse rester kan dog i meget høj grad fjernes ved kemiske processer. Carbonylpulvere har oftest kugleform og kan fås med middelpartikelstørrelser fra under 1µm og typisk op til omkrin g 10 µm. De benyttes til såvel presning som sprøjtestøbning o g til matrixmateriale i forskellige kompositter. Derudover ha r denne pulvertype en række elektroniske og kemiske anvendelser indenfor f.eks. katalyse, organisk kemi, farmaci og levnedsmidler. 1.4.2 Elektrolyse Elektrolytisk udfældelse af metaller fra vandige opløsninger af metalsalte kan med de rette procesbetingelser finde sted i pulverform. Processen giver pulvere af meget høj renhed o g med en uregelmæssig form, der teknisk set gør dem meget egnede til presseanvendelser. Når denne fremstillingsmetod e alligevel ikke finder udbredt kommerciel anvendelse skylde s det, at procesomkostningerne er høje og derfor giver et dyrt pulver. For kobberpulver er denne metode dog anvendt f.eks. til pulvere til selvsmørende lejematerialer. 20
Hydrometallurgi 1.4. 3 Især til fremstilling af kobberpulver kan hydrometallurgisk e processer anvendes. En kobberholdig jordart udvaskes med vand og af den kobberrige opløsning kan man derefter ud - vinde pulver ved forskellige kemiske metoder. Hydrometallurgiske metoder spiller ikke nogen væsentlig rolle i kommerciel pulverproduktion. Mekaniske metoder 1.4.4 Metalpulver kan fremstilles ved en række mekaniske metoder som f.eks. forskellige spåntagende eller formalende processer. En anvendt metode er børstning med stålbørster fra massiv e emner af det pågældende materiale. Denne metode anvendes f.eks. til fremstilling af magnesiumpulver. Formaling i f.eks. kuglemøller kan benyttes direkte til pulverfremstilling, hvis det drejer sig om tilstrækkeligt sprød e metalmaterialer. Er materialet imidlertid duktilt er metode n ikke direkte egnet. Man kan i så fald benytte sig af at viss e kemiske forbindelser af metallerne kan være sprøde og til a t formale. Som eksempel kan nævnes at zirkonium danner et sprødt hydrid, der let lader sig formale og som ved opvarmning derefter danner zirkoniumpulver og brint. Ultrafine pulvere 1.4. 5 Ultrafine pulvere skal her defineres som pulvere med partik- Ultrafine pulvere har partikel - ler i størrelsesområdet 5-100 nm (1 nm er en milliontedel størrelser i nanometerområde t mm). Der findes forskellige fremstillingsmetoder for denn e pulvertype. En metode er formaling i højenergi kuglemøller. Denne metode har en relativt stor produktionshastighed, men processens stadige mekaniske indvirkning på partikler - ne medfører en meget høj defekttæthed, som kan være gene - rende i mange sammenhæng. En anden metode er fordampning af det metalliske material e ved høj temperatur og lavt tryk (typisk nogle få mbar) og efterfølgende rekondensation på en kold finger kølet med flydende kvælstof. Afhængig af den anvendte gasart, som kan være helium, og det benyttede tryk dannes ved den kolde 21
zone større eller mindre agglomerater af metalatomerne. Disse agglomerater kondenserer derefter på den kolde finger og kan endelig skrabes af og opsamles. På grund af den meget lille partikelstørrelse har ultrafin e pulvere en høj sintringsaktivitet og et enormt overfladearea l pr. vægtenhed. Selv metaller, der normalt betragtes som rimeligt passive, vil øjeblikkeligt reagere med ilt og danne oxider ofte i form af en brand. Ultrafine pulvere anvendes ikke i industriel produktion, men der er fra mange sider forventninger om, at de vil vinde ind - pas i forskellige nicheområder på grund af nogle bemærkelsesværdige fysiske og kemiske egenskaber. Reference r 1. Metals Handbook. Ninth Edition. Volume 7, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1984, 22
Karakterisering af pulvere og miljømæssige forhol d 2 Indledning Interesse for at karakterisere et pulver hænger sammen med, at det for en given anvendelse af det pågældende pulver er værdifuldt at vide, hvilke egenskaber pulveret har, hvorda n pulveret opfører sig. Karakterisering af et pulver er derfo r uløseligt knyttet til, hvordan pulveret tænkes anvendt o g hvilke egenskaber, der er relevante for anvendelsen. Det kan f.eks. være vigtigt at kende hastigheden, hvormed et pulver kan løbe igennem et hul eller et rør uden andre ydre påvirkninger end tyngdekraften. Eller det kan være pulverpartiklernes tilbøjelighed til at sintre sammen ved opvarmning, som har interesse. Det kan derfor strengt taget ikke på forhånd afgøres, hvilke egenskaber og karakteriseringsmetoder, der bør omtales i en generel gennemgang af pulverkarakterisering. 2. 1 En given anvendelse kan kræve viden om specielle egenskaber, som ikke kan findes omtalt i nærværende tekst. Der kunne f.eks. i en anvendelse være interesse for kendskab til elektrostatiske egenskaber af et pulver. Ofte vil det være vanskeligt at finde egnede og etablerede karakteriseringsmetode r for sådanne egenskaber og undertiden kan det være nødvendigt at udvikle en dediceret metode, som giver netop de ønskede oplysninger om pulveret. Erfaringsmæssigt er der do g en række egenskaber ved et pulver, som næsten altid er af interesse ved arbejde med pulvermaterialer. Dette afsnit giver en indføring i en række af de mest almindeligt efterspurgte pulveregenskaber og tilhørende karakteriseringsmetoder. Størrelse og størrelsesfordeling En meget udbredt måde at karakterisere et pulver på, er a t benævne det med et tal, som f.eks. et "0.5 µm pulver". Man angiver altså netop et tal som udtryk for partiklernes størrelse. Sådan en angivelse er naturligvis i sig selv helt utilstrækkelig til at beskrive pulveret, men den indeholder dog en me - get væsentlig information om pulveret. Oplysningen giver en fornemmelse af, hvor på størrelsesskalaen det pågældende pulver skal placeres og for den, der har erfaring i arbejde 2.2 Et pulver karakteriseres ofte ved en størrelse og en størrelsesfordelin g 23
med pulver, vil oplysningen i en koncentreret form dække en stor del af, hvad der er nødvendigt at vide om pulveret. Mange teknisk relevante egenskaber ved et pulver er nemli g bestemt af pulverpartiklernes størrelse. Hvad skal man d a mere præcist forstå ved "størrelsen af et pulver" og hvorda n bestemmes størrelsen? Undersøger man et pulver under mikroskop, eventuelt e t elektronmikroskop, vil man se at pulveret er sammensat a f partikler med kolossal variation i form og størrelse (i dett e afsnit anvendes ordet partikel om de enkelte legemer eller bestanddele, der udgør pulveret. I megen litteratur, og det gælder såvel dansk som engelsk litteratur, skelnes der ikke mellem partikel og korn. Udtrykkene "kornstørrelse" og "partikelstørrelse" bruges synonymt. Denne mangel på skelnen er uheldig, fordi korn traditionelt dækker en krystallografisk enhed, altså et krystalkorn. En partikel kan derimo d være sammensat af et vilkårligt antal korn. Afhængig af størrelsesområdet og materialegruppe vil det sidste som re - gel være tilfældet. Som regel vil det dog af sammenhæng kunne udledes om udtrykket "korn" anvendes om krystalkorn eller om partikler). Koncentrerer man sig nu om en enkelt partikel vil man se, at man selv i dette tilfælde ikke ka n give en dækkende beskrivelse af partikelstørrelsen ved hjæl p af et tal, som man f.eks. kan med højden af et hus. Årsagen til forskellen er, at huset på forhånd er orienteret (alle ved hva d der er op og ned på et hus) så det er indlysende, hvor ma n skal måle højden. Tilsvarende gælder det ikke for en partikel, som er helt tilfældigt placeret ved prøveprepareringen, a t man umiddelbart kan afgøre, hvordan den kan eller skal må - les. Det er nødvendigt for at opnå en måling på denne måde, at indføre et tilfældighedsprincip: at måle partiklerne i tilfældige retninger i forhold til deres placering. Allerede her er der så givet afkald på, hvad man kunne kalde eksakte målinger af partiklernes størrelse. Samtidig er det illustreret, at de r ikke findes nogen naturgivet, selvindlysende definition a f "størrelsen af en partikel", hvis definitionen vel at mærk e skal have generel anvendelighed, dvs. kunne bruges uden hensyn til partiklernes form. En pulvermængde af praktisk håndterbar masse (f.eks. 10 g) består af et meget stort antal partikler. Afhængig af massefylden vil 10 g materiale i form af kuglerunde partikler me d diameter 10 gm bestå af omkring 5 millioner partikler. Ved en mikroskopbaseret måling som beskrevet ovenfor kan man 24
måske måle på nogle hundrede eller, med automatisk billed - analyse, nogle tusinde partikler, svarende til af størrelsesor - denen en promille af materialet. Derved introduceres endnu en statistisk ubestemthed på målingen. Dette sammenhold t med den nævnte mangel på definition viser, at det ikke e r muligt at gennemføre en fuldstændigt dækkende, direkt e måling af partikelstørrelse for et pulver. En måling kan man dog godt foretage, men må så gøre sig klart, hvad der e r grundlaget for målingen og hvilke begrænsninger den har. Hvis man foretager en måling af partikelstørrelse efter d e ovenfor beskrevne principper (tilfældig tværsnitsmåling af partikler i en stikprøve) vil man for alle praktisk forekommende systemer finde, at der er en spredning på måleresultaterne. De kan derfor gengives ved en fordeling over størrelsesområder, med en tilhørende middelværdi og mål for, hvor stor spredningen på resultaterne er. En god måde at anskueliggøre målingerne på er at anvende et histogram eller en kumuleret fordelingskurve for resultaterne. Eksempler på disse to former er vist i figur 2.1. Histogrammet er en god måde a t illustrere en størrelsesfordelin g På % 100 % 1 0 Figur 2. 1 Resultatet af den samme målin g gengivet dels som histogram o g dels som kumuleret fordelings - kurve o, 50 c a) - 5 1 1 0 Partikel størrelse r 10 0 - r ø 1000 µ m E I histogrammet inddeles hele det undersøgte størrelsesområde i mindre intervaller (som ikke behøver at være ækvidistante). I hvert interval angives så ved højden af en søjle, hvor mange partikler, der er fundet med en målt udstrækning imellem de pågældende grænser. Søjlerne i histogram - met kunne også vise, hvor meget volumenet var, af de partik - ler, der blev fundet i det tilhørende størrelsesinterval (tilnær - 25
met ved simpelt hen at multiplicere antallet af partikler me d rumfanget af en kugle med radius midt i størrelsesintervallet). For et givet materiale (densitet) ville det sidste histogram fortælle, hvor megen masse der findes i størrelsesintervallet og det er ofte præcis, hvad man er interesseret i. For begge de nævnte histogramtyper gælder at de kan normaliseres til %-visning ved division af søjlehøjdedata med henholdsvis det totale antal partikler, der er målt, og den total e masse af den målte prøve. Denne normaliserede præsentation af måledata er som regel den mest illustrerende, men in - deholder ikke mere information end de andre. Figur 2.1 viser et normaliseret histogram baseret på antaldata. Funktionen, der er bestemt af søjletoppene, kaldes også en frekvensfunktion, idet den viser hvor ofte (med hvilken frekvens) man vil finde partikler af den pågældende størrelse, hvis man tilfældigt udtager partikler af pulveret. Den kumulerede fordelingskurve for et pulver viser for en given partikelstørrelse, D, hvor stor en andel af partiklerne, der har en størrelse, der er mindre end eller lig med D. Som for histogrammet kan fordelingskurven være baseret på data for antal eller volumen. Kurven i figur 2.1 viser antaldata. Andre egenskaber, f.eks. tværsnitsareal eller overfladeareal, kunne i øvrigt også lægges til grund for såvel histogram so m akkumuleret fordelingskurve, men denne mulighed skal ikke beskrives yderligere her. For et datasæt som vist i figur 2.1 kan man finde en middelog en mediandiameter (50%-fraktil) samt en standardafvigelse. Middeldiameteren (summen af alle målte diametre divideret med antallet af målinger) betegnes ofte d m og mediandiameteren (den diameter, hvorunder 50% af den målte mængde befinder sig) ofte d50. Disse to størrelser benyttes tit i flæng, hvilket er principielt forkert, da det er to forskellige ting; me n i praksis er forskellen mellem dem som regel lille sammenlignet med f.eks. den generelle måleunøjagtighed. Middel- elle r mediandiameteren benyttes som udtryk for partikelstørrelsen af et pulver når den skal karakteriseres i et tal. Standardafvigelsen er et udtryk for, hvor bredt et interva l man skal lægge omkring middelværdien for at omfatte 90 % af alle målte partikler. Eller sagt på en anden måde: kun 10 % af partiklerne vil falde udenfor et område begrænset af mid - delværdien ±standardafvigelsen. Standardafvigelsen illustrerer således, hvor bred fordelingskurven er. 26
Ud fra oplysning om middeldiameter og standardafvigelse kan man ofte tegne en fordelingskurve, der groft tilnærmer den korrekte. Det er i så fald baseret på antagelsen om at for - delingskurven er "pæn", dvs. symmetrisk omkring middel - værdien, med en rimelig klokkeform, den såkaldt normale fordeling. Det er dog langt fra alle størrelsesfordelinger for pulvere, der er normale. F.eks. findes tit fordelinger, der er logaritmisk normaltfordelte, dvs. logaritmen til størrelsen er normalfordelt. I praksis betyder det, at fordelingskurven er skæv med en "hale" mod store partikeldiametre. Figur 2.2 viser fordelingsdata for det samme pulver, men med henholdsvis lineær og logaritmisk størrelsesskala. 1 0 Figur 2. 2 De samme størrelsesdata vis t med logaritmisk (a) og lineær (b) størrelsesdata 1 1 0 Partikel diameter a. Y! LL0 _ 100 10001.Lm 0 200 400 600 800 1000µ m Partikel diameter b. Metoder til måling af partikelstørrelse 2.3 Billedanalyse 2.3. 1 I afsnit 2.2 er omtalt en metode til måling af partikelstørrelse, Undersøgelse af mikroskopbille - nemlig måling baseret på mikroskopbilleder af pulveret. der er en pålidelig metod e Denne metode, som også kaldes billedanalyse, må betegne s som yderst pålidelig, hvis den vel at mærke udføres på et til - strækkeligt statistisk grundlag (antal partikler og proveud - tagning/-preparering). Man må dog være opmærksom på, a t et 3-dimensionalt problem ved denne metode analyseres i kun 2 dimensioner. Som kontrol af andre analysemetoder er mikroskopiske undersøgelser uundværlige. Man opnår i mikroskopet et direkte indtryk af, hvordan pulverpartiklerne ser ud og får ogs å en fornemmelse af, hvilken størrelse de har. Hvis man udelukkende benytter sig af andre analysemetoder er der alti d en risiko for, at en systematisk fejl er til stede og det må der - for anbefales altid at støtte andre resultater med mikroskop - undersøgelser som stikprøvekontrol. 27
Mikroskopbaserede, kvantitative metoder er dog som rege l meget ressourcekrævende, især tidkrævende, og adskillige andre metoder til størrelsesbestemmelse er derfor blevet ud - viklet. Disse er alle baseret på, at en række egenskaber af pul - verpartiklerne hænger nært sammen med deres størrelse. Måling af disse sekundære egenskaber "oversættes" så til op - lysning om størrelsesforhold. 2.3.2 Sigteanalyse Sigtning er simpel og relativt hurtig Størrelseanalyse ved hjælp af sigtning er forholdsvis simpel at udføre og det nødvendige udstyr er billigt at anskaffe. Sigteanalyse er derfor den altovervejende anvendte metode til størrelsekarakterisering i det størrelsesområde, hvori der findes anvendelige sigter. Det ukomplicerede og traditionelle størrelsesområde for sigteanalyse går fra 38 gm i maskestørrelse og op. Ved mere specielle sigteanalyser findes der små sigter, der går helt ned til 5 gm i maskevidde. Sigteanalyse udføres ved at en række sigter med forskellig e maskevidder anbringes i en stak efter maskevidde med pulverprøven placeret i den øverste (største) sigte. Sigterne sættes i vibrationer, enten ved mekaniske påvirkninger for sigte r over 45 gm eller ved påvirkning med ultralyd for de småmaskede sigter. Sigtningen fortsættes til der er opnået en tidsuafhængig vægtfordeling i sigterne, hvilket konstateres ve d vejning med forsigtighed, så der ikke mistes materiale. Når vægtfordelingen er konstant vejes de enkelte mængder i sig - terne. Størrelsesgrænserne for disse fraktioner er givet ved de to på hinanden følgende sigters maskestørrelser og man opnår på denne måde data, der umiddelbart kan omsættes i et histogram baseret på volumen (jvf. diskussionen i afsnit 2.2). Da udstyr til sigteanalyse findes så at sige alle steder, hvor der arbejdes med pulver, er sigteresultater ofte grundlag fo r sammenligninger mellem forskellige laboratorier. Der er derfor opstillet standarder for, hvordan sigteanalyser skal udføres. Standarden (ASTM-B214,MPIF-05,ISO-4497) specificerer sigten (bl.a. vævet af metaltråd), sigtebevægelse (rotation kombineret med stød), prøvemængde (densitet >1.5 : 100 g, densitet <1.5: 50 g), sigtetid 15 min. eller specificeret, vejning af fraktioner til nærmeste 0,1 g og beregning af fraktionsprocent med nøjagtighed 0,1%. 28
Det kan ofte være vanskeligt at opnå en kvantitativ adskillelse af pulverpartiklerne ved sigtning. Årsagen er især, at der benyttes for stor mængde pulver i forhold til sigtens areal. Derved kan der opstå to problemer, 1) sigtemaskerne bloke - res af partikler, som har sat sig fast i hullerne og 2) i zonen umiddelbart over sigtevævet sker en opkoncentrering af store partikler, som ikke kan passere og derfor blokerer for d e ovenfor liggende mindre partikler, som burde passerere. Agglomerering er et andet problem, som kan give anledning til fejlagtige resultater af sigteanalyser. Agglomerering ske r enten ved at små partikler knyttes sammen til bolde eller ved at små partikler bindes til overfladen af en stor partikel. I begge tilfælde vil sigteanalysen registrere for store partikelstørrelser og altså et forkert resultat. Agglomereringstendenser er dog et problem i alle former for størrellsesanalyse o g det er generelt meget vigtigt at sikre en størrelsesmåling mod dette fænomen. Sigter vibreret med lyd findes som nævnt ned til en maskestørrelse på 5 gm. Sigterne er fremstillet ved f.eks. fotoætsning og har som regel en diameter på 75 mm. Ved ultralydsigtning må der anvendes små prøvemængder (størrelsesordenen 1 g), men der kan opnås gode resultater ved denn e metode. Figur 2.3 viser resultater af ultralydsigteanalyse sammenlignet med andre metoder. Figur 2. 3 Sammenligning af data bestemt ved billedanalyse, sigtning o g diffraktio n wt % 100-80 - 60-40 - 20 - - Billed analyse - 0 Laser diffraktion -0-- Sigtnin g 0 1 Partikel diameter 1 0 " 100 1 1000µ m 29
2.3.3 Spredning af lys Lys spredes (afbøjes) når det rammer en partikel. Vinkelen, hvormed det spredes, afhænger af partiklens størrelse. Dette fysiske fænomen kan udnyttes til analyse af størrelsesfordeling for et pulver. Sendes en tynd stråle af lys ind i en opslemning af pulver, vil lyset spredes i en vifte af vinkler (se figur 2.4), således at lysintensiteten i en vinkel er proportional med antallet af partikler, som har givet anledning til spredning i den pågældende vinkel. En måling af lysintensitetens vinkelafhængighed giver derfor, sammen med kend - skab til relationen mellem afbøjningsvinkel og partikelstørrelse, data til bestemmelse af et histogram eller en fordelings - kurve for pulveret. Ved den mest anvendte teknik (Fraunhofer-diffraktion) er det en forudsætning at partikelstørrelsen er meget mindre end lysets bølgelængde. Dette sætter e n grænse for hvor små partikler, der kan måles. I praksis går grænsen for de fleste kommercielle udstyr omkring 0,1 gm mens den øvre grænse ligger over 500 gm. Metoden forud - sætter desuden en partikelkoncentration, der er tilstrækkeligt lav til at dobbeltspredning undgås. Lins e Laser Optik Pulve r partikle r Detekto r Figur 2.4 Principdiagram for størrelsesbestemmelse ved hjælp af laser-diffraktion Lysspredningsprincipper hviler på teori for spredning af lys på kugleformede partikler. Den irregulære form, de flest e pulverpartikler har, medfører derfor en fejl i målingen. Det resultat, der kommer ud af målingen, er en bestemmelse af diameteren i en kugle med samme tværsnitsareal som den faktiske partikel. Analyse ved lysspredning er meget hurtig Analysemetoder baseret på spredning af lys er meget hurtige at anvende, hvad angår selve målingen. Der er tale om få minutter til bestemmelse af størrelsesfordelingen af et pulver indenfor et størrelsesområde på 2 3 dekader. Pulverpartik- 30
lerne kan opstemmes enten i luft eller i en væske, det sidst e er mest udbredt. Begge bæremedier giver anledning til agglomereringsproblemer, men mulighederne for at eliminere disse er størst for væsker, idet der her findes et bredt spektrum af valgmuligheder og idet væske giver mulighed for at anvende ultralydspåvirkning til at knuse eventuelle agglomerater. Det kræver erfaring at foretage pålidelige bestemmelser af størrelsesfordelinger ved lysspredning, bl.a. med hensyn til valg af væske og pulverkoncentration. Der findes dog for en lang række materialer tabeller over egned e væsker og koncentrationer. Under målingen cirkuleres pulveropslemningen forbi lysstrålen ved hjælp af en pumpe. Denne mekaniske påvirkning af systemet kan medføre bobbeldannelse i væsken, der igen kan give anledning til et falsk partikelbidrag, som regel i det høje størrelsesområde. Den erfarne operatør vil dog være opmærksom på dette forhold og kan af målingerne se, hvornår bobbeldannelse ødelægger målingen. Andre metoder 2.3.4 Især tidligere har man anvendt en lang række andre metode r til størrelseskarakterisering af pulvermaterialer. Følgend e skal nævnes her efter funktionsprincip : Sedimentation: som bygger på, at faldhastigheden for en partikel i en væske afhænger af partikelstørrelse. Anvendeligt størrelsesområde : 1-100 µm med gravitation (0.1 som nedre grænse med centrifugering ) Gennemtrængelighed: hvor målingen hviler på, at luftarters flowhastighed gennem en pakket pulvermasse er afhængig af partikelstørrelsen. Anvendeligt størrelsesområde: 0.5-25 gm. Lysblokering: registrerer partiklernes skyggevirkning på lys i parallell e bundter. Anvendeligt størrelsesområde : 1-100 µm. Fælles for disse metoder er, at de tidligere har været anvendt i nogen udstrækning, men at de nu i stadig højere grad ud - konkurreres af laserinstrumenter baseret på lysspredning. Formodentlig vil denne udvikling fortsætte også fremover, 31
ikke mindst på grund af den lette brug og de gode resultate r for denne type udstyr. Endelig bør nævnes: Elektro Sensing Zone : som bygger på, at en partikel der anbringes i et strømfelt, ændrer dette felt. I praksis opretholdes en konstant elektrisk strøm i en ledende væske over to elektroder. Gennem en åbning med meget lille diameter føres partikler til analyse igennem dette strømfelt. Når en partikel befinder sig i feltet ændres modstanden og en ændret elektrodespænding registreres i elektronikken. Modstandsændringen er afhængig af partiklens størrelse (volumen) og spændingspulsen kan derfor omregnes til et volumen. Princippet kan benyttes i størrelsesområdet 0,3-100.tm og er stadig anvendt en hel del til måling af små partikelstørrelser. 2.3.5 Kalibrering og referencematerialer Som nævnt i afsnit 2.3.1 er der grund til at overbevise sig om at resultatet af en størrelsesanalyse er korrekt eller i hvert fald rimeligt. Dette kan gøres ved at udføre analysen med to forskellige metoder og sammenligne resultaterne. Den ene metode kan med fordel være mikroskopisk. Måleresultater kan verificere s ved hjælp af kalibrerings- elle r referencepulver e En anden mulighed for at verificere et resultat er at kalibrer e måleudstyret med partikler af en på forhånd kendt størrelse. Der findes tilgængeligt kalibreringspulvere med kugleformede partikler i størrelsesområdet fra 0,5 tm og op. Disse pul - vere har en meget smal størrelsesfordeling, typisk med et for - hold mellem standardafvigelse og middelværdi på omkring 10 %. Endelig kan man benytte sig af et referencepulver, som har været undersøgt på en række anerkendte laboratorier og som har en veldefineret og veldokumenteret størrelsesfordeling. Referencen forskriver de acceptable afvigelser for målinge r på sådanne pulvere foretaget på forskellige laboratorier. 2.4 Morfolog i Egenskaberne af et pulver er som nævnt i meget høj grad be - stemt af pulverpartiklernes størrelse. Partiklernes form spiller imidlertid også en væsentlig rolle for pulverets egenskaber. 32
Morfologien (græsk morphe : form) af et pulver er traditionelt blevet beskrevet i kvalitative udtryk. Dette skyldes, at det kun for visse meget simple partikelformer er muligt at give en kvantitativ beskrivelse af formen ved hjælp af e n overskuelig talmængde. I mangel af bedre karakteriserings - metoder har man derfor været nødt til at benytte meget kvalitative beskrivelser. Det er vanskeligt at give en dæk - kende beskrivelse af partikelforme r Britisk Standard angiver en række form-deskriptorer for e n række partikelformer. Følgende beskrivelser anvendes i BS 2955 : Acikulær : Angulær : nåleforme t skarpvinldede kanter Krystallinske : form i retning af smykkeste n Dendritisk: grenet (som grantræ), krystallinsk for m Fibre : Flager : Granulær: trådlignende flageformed e uregelmæssig form, ensartede dimensione r i x,y og z Svampeform porøs, uregelmæssig form Udtryk af denne art kan med fordel anvendes til at beskrive partikelformer med. Der findes imidlertid også mere kvantitative formangivelser, som først og fremmest finder anvendelse på simple geometrier. Hvor partikelformen er aflang eller nåleformet kan det være hensigtsmæssigt at angive forholdet mellem længden o g bredden (vinkelret på hinanden) af partiklen. Dette forhold er ofte ret let at danne ud fra mikrobilleder af pulveret og ha r i mange situationer et nyttigt fysisk indhold. Hvis en partikelprojektion (som på et foto) indskrives i et rektangel med mindst muligt areal, kan forholdet mellem siderne i rektanglet være et brugbart mål og man kan desuden måle en rumfaktor som forholdet mellem arealerne af parti - kelprojektionen og rektanglet. Endelig kan man danne for - holdet mellem kvadratet på partikelprojektionens omkred s og arealet af rektanglet. Derved opnås en overfladefaktor. 33