В поисках лучшего материала для чашки и шариков криогенной шаровой мельницы

Я работаю с набором сплавов, которые сначала должны быть измельчены в шаровой мельнице при криогенных температурах. Важно, чтобы никакие загрязнения не попадали в материал, и для этого предпринимаются тщательные меры.

К сожалению, когда мы проверили набор образцов через нашу лабораторию RBS, а затем снова через PIXE, мы увидели, что у нас было загрязнение Fe и Cr. Сначала считалось, что это происходит от режущих инструментов, используемых для подготовки образцов, поэтому мы провели другой образец, который был вырезан с использованием EDM. Результаты были одинаковыми. Единственный другой контакт материала с нержавеющей сталью связан со стадией измельчения шарика.

Мы использовали 440C для чашки и мячей, но казалось бы, 316L может лучше подойти для этого приложения. Я знаю, что 440C, как правило, не очень хорошо работает в крио-темпах, но это то, что использовали другие лаборатории, поэтому мы не ожидали, что будут проблемы такого типа.

Некоторые вещи, которые следует учитывать для нового материала чашки и шарика, - это обрабатываемость, стоимость, доступность, криогенные свойства, устойчивость к вибрации и усталости, а также возможность герметизации (чашки заполнены в инертной атмосфере Ar). Другая возможность - это термическая обработка существующих материалов 440C, однако я не уверен, что будет лучшим подходом в этом отношении.

Если стоимость не является экстремальным объектом, то вы можете иметь наименьшее загрязнение, используя косметику Co + WC для ваших шариков, и использовать криопластическую чашку, чтобы избежать истирания между шариками и чашкой.

Унитаз чрезвычайно термически стабилен и имеет невероятно высокую твердость поверхности (не говоря уже о плотности). Поскольку ваше связующее Co может выдерживать нагрузки (или вы можете найти другое подходящее связующее), вы должны наслаждаться гораздо меньшим загрязнением, а также ускоренным временем измельчения / эффективностью благодаря увеличенной плотности и твердости ваших помольных шаров.

WC легко доступен в виде порошка, готов для формирования и спекания с использованием любого оборудования, способного нагревать и впрыскивать расплавленный Co (или Ni) для его «смачивания». Конечно, если Co окажется непригодным из-за загрязнения или затрат на обработку, вы всегда можете использовать эпоксидную смолу с низким выходом газа и криогенной оценкой для смачивания / связывания порошка WC (может работать лучше в любом случае, как я думаю об этом больше).

Я спорил между ответом или комментарием по этому поводу, но в конечном итоге я думаю, что это скорее ответ - хотя и несовершенный ответ.

Мне кажется, что основная проблема, которую вы пытаетесь решить, - это предотвращение переноса материала с шариков / чашек и т. Д. Во время процесса измельчения шариков. Я не думаю, что вам обязательно нужно менять материалы, и, возможно, даже может сойти с рук, просто добавив PVD или CVD покрытие к существующим компонентам.

Сначала на ум приходит DLC (алмазоподобное углеродное) покрытие,

однако я думаю, что есть много покрытий, которые потенциально могли бы служить вам хорошо. Покрытия DLC очень твердые и износостойкие (как следует из названия, похожего на ромб). Они не отслаиваются и не отслаиваются, и, хотя я не знаю конечного использования или характера требования «не загрязнять», эти покрытия полностью инертны практически ко всем органическим и синтетическим химическим веществам и полностью инертны по отношению к организму человека. Что ж.

Для этого применения я думаю, что покрытие ta-C или, возможно, покрытие ta-C: H может хорошо работать. Другой DLC, который должен быть чрезвычайно твердым и износостойким, но с которым у меня нет личного опыта, это UNCD (ультрананокристаллический алмаз).

Вы также можете найти более традиционные инструментальные покрытия, такие как TiN или TiAlN, которые могут вам помочь - я не могу дать рекомендации относительно лучшего покрытия для вашего применения. Я не инженер по нанесению покрытий, а просто инженер, который в прошлом имел хороший опыт использования этих типов покрытий для своих собственных применений :)

Основным преимуществом 440C является его высокая прокаливаемость

С максимальной твердостью около 60 Rockwell C, 440C - нержавеющая сталь, которая может конкурировать со многими инструментальными сталями.

Похоже, вы используете этот материал в отожженном состоянии, что для меня сомнительно. Этот материал обычно выбирают из-за его высокой прокаливаемости - он (насколько мне известно) обычно не используется в отожженном состоянии.

Похоже, вы выбрали этот материал, потому что он обычно используется в других подобных проектах; Интересно, в каком состоянии этот материал используется в этих проектах.

Если вы можете получить некоторые компоненты 440C от одного из этих других проектов, я бы провел тест Роквелла, чтобы увидеть, подвергнут ли он термообработке. Я бы положил деньги на то, чтобы его подвергали термообработке. Отожженный материал, вероятно, будет в каменном колодце 20-30-х годов, в то время как термически обработанный материал будет в 50-х годах.

Если вы намерены выполнить тест по Роквеллу, попробуйте выполнить работу с компонентом с плоским сечением, поскольку сферы могут быть трудны для тестирования и дают неточные показания.

Если я начну с термообработки, я считаю, что данные Карпентера довольно надежны. Их рекомендации для 440C:

• ТЯЖЕЛАЯ: Нагрев до 1850 / 1950ºF (1010 / 1066ºC); замочить; гасить в теплом масле или охлаждать на воздухе. Твердость будет ≈ 60HRC. Не перегревайте, иначе вы не сможете достичь максимальной твердости.
• ТЕМПЕРАТУРА: Чтобы снять пиковые напряжения и при этом сохранить максимальную твердость, выдерживайте не менее одного часа при температуре 300 / 350ºF (149 / 177ºC).

Если вы ищете термообработку, я бы, вероятно, начал там.

Я не думаю, что 316 будет хорошим выбором

Так как это материал намного мягче (более клейкий), чем 440C, и я думаю, что это усугубит проблему переноса материала.

Теперь я сказал, что это был несовершенный ответ,

потому что я не знаю, что это прямо отвечает на ваш вопрос. Он предлагает путь к возможному решению, однако он неполон, поскольку вам нужно будет обсудить с экспертом по нанесению покрытий точные потребности вашего применения и посмотреть, что они скажут.

Например, я не знаю, как эти покрытия работают при криогенных температурах , или какое покрытие будет работать лучше всего с абразивами, используемыми в процессе фрезерования шариков.

Я знаю, что использовал покрытия DLC для решения некоторых уникальных проблем, где я работаю, и они позволили мне делать вещи, для которых, я не думаю, я мог бы найти альтернативу.

Я также хотел сказать, что найти авторитетного и надежного поставщика покрытий было самой сложной частью адаптации этой технологии для меня. Поскольку это может быть довольно сложной задачей, я предлагаю предложение только в качестве места для начала, и без дальнейшей поддержки, кроме того, что я лично имел хороший опыт работы с Эрликоном Бальцерсом. Я не знаю политики по рекомендациям поставщиков и не имею никакого отношения к каким-либо поставщикам - поэтому не стесняйтесь редактировать этот ответ, чтобы удалить имя поставщика, если оно нарушает какие-либо политики.

Независимо от того, с кем вы решите вести бизнес, я настоятельно рекомендую поговорить с одним из их инженеров по приложениям о конкретных потребностях вашего приложения и посмотреть, какое покрытие они рекомендуют.

Заключительные мысли

Покрытия PVD / CVD имеют трибологическую природу - они влияют на поверхность раздела с другими материалами, но не изменяют свойства базовой подложки.

Когда мы говорим о проектировании подшипников, есть свойство, которое обычно называют встраиваемостью. Это в основном относится к способности материалов подшипников поглощать (или внедрять в себя) инородные материалы.

Не зная больше о природе вашего дизайна, моя интуиция говорит мне, что вы бы не хотели, чтобы это произошло, поскольку это означало бы, что ваши шарики / чашки и т. Д. Будут внедрять некоторое количество сплавов, которые вы пытались измельчить. Мне кажется маловероятным, что это было бы желательно. Это еще одна причина, я думаю, что 316 будет плохим выбором.

Чтобы уменьшить встраиваемость, вам нужен более жесткий субстрат.

Я рекомендую вам сначала подвергнуть термической обработке компоненты 440C, а затем нанести PVD-покрытие, чтобы получить наилучшую комбинацию свойств для вашего применения. Я бы определенно поговорил с инженером по покрытиям о том, какие покрытия будут работать для вашего применения (например, температуры, совместимость материалов и т. Д.)

Я рекомендую глиноземные шарики (но не стальные сплавы).

Я использовал шаровые мельницы вместимостью 5 тонн и горшочную мельницу в лаборатории (250 г), используя шарики из оксида алюминия.

Я думаю, что шарики из оксида алюминия являются инертными (уже окисленными), так что даже если они могут содержать некоторые примеси, я не верю, что это повлияет на ваш сплав химически, как Fe и Cr.

С шариками из оксида алюминия скорость износа очень низкая. Ежедневное использование требует только регулярного пополнения шаров каждые 3 месяца.

Глиноземные шарики также можно использовать для криогенной температуры (CMIIW). Однако следует иметь в виду, что температура в мельнице будет очень высокой (почти кипящей) после помола, поэтому поддерживать криогенность может оказаться сложной задачей.