GB T 6524-2003 金属粉末 粒度分布的测量 重力沉降光透法.pdf

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1、GB/T 6524-2003/180 10076: 1991 前言本标准等同采用ISO10076，1991(金属粉末粒度分布的测量重力沉降光透法儿本标准代替GB/T6524-1986(金属粉末粒度分布的测定光透法入本标准与GB/T6524-1986相比，作了如下修改=在原标准的基础上增加了X射线吸收沉降法。本标准的附录A、附录B和附录C是资料性附录。本标准由中国有色金属工业协会提出。本标准由全国有色金属标准化技术委员会归口。本标准起草单位$中南大学粉末冶金研究院。本标准主要起草人:廖寄乔、王华、黄志锋、张宪铭。本标准由全国有色金属标准化技术委员会负责解释。本标准所代替标准的历次版本发布情况为2

2、GB/T 6524-1986 I GB/T 6524-2003/ISO 10076 ,1991 引言用沉降法来测定颗粒大小得到了广泛的应用，该方法主要是根据在重力作用下一定质量的颗粒均匀分散于静态溶液中的沉降行为。利用斯托克斯公式，由沉降速度测定颗粒的粒度大小。由此得到的颗粒直径，即斯托克斯直径是指在己知密度和粘度的流体中具有与球体相同密度和自由落速的颗粒的粒径。应使悬浮液中颗粒浓度足够低，从而可以忽略颗粒间的相互作用3且应使雷诺数足够低，而满足层流条件。在己知液面深度下，观测初始均匀的悬浊液的粒子浓度，可得到粒径与测量面积或质量的分布函数。在该标准中，必须考虑浓度测定的两个衰减方式:光吸收;

3、X射线吸收。尽管两种衰减方式都是间接的，但这些沉降衰减方式常用于粉末冶金。并且当悬浊液制备条件和测量参数严格确定的情况下可以得到重现性很好的结果。E GB/T 6524-2003/180 10076: 1991 1 范围金属粉末粒度分布的测量重力沉降光透法本标准规定了金属粉末在悬浮液中由于重力作用沉降时，通过测量光束穿过悬浮液时的衰减量来计算颗粒粒度分布的方法。本方法适用于满足斯托克斯方程的情况，即雷诺数小于o.汩的层流条件，同时颗粒沉降速度不受布朗运动影响。本方法适用于全部颗粒粒径在1mlOOm之间的金属粉末包括硬质合金用粉末。但本方法不适用于以下情况:a) 颗粒形状偏离等轴体太远的金属粉末

4、，如片状、纤维状及其他形状复杂的金属粉末gb) 混合粉末$c) 含有润滑剂或粘结剂的粉末gd) 不能在液体中分散的粉末。沉降法测量颗粒粒径存在上限和下限(见5.1)。如果样品中的最大颗粒超出了这个范围，则液体的粘度应当增加到符合要求为止。通常，粉末在液体中的初始的浓度小于0.5%(体积分数)时斯托克斯定律是有效的。在一些情况下，当浓度大于1%(体积分数)时仍可以得出正确的结果，但对每种材料必须测试其有效性。2 规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方

5、研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。GBjT 3500粉末冶金术语(GBjT3500-1998, SO 3252: 1996 , IDT) GBjT 5314 粉末冶金用粉末的取样方法(GBjT5314-1985 ,ISO 3954 ,1 977 , MODl 3 定义以下的定义适用于本标准。3. 1 斯托克斯直径stokes diameter 在已知密度和粘度的液体中，与粉末颗粒有着相同密度和自由沉降速度的球形颗粒的当量粒径。3.2 有效密度effective densty 粉末的质量和利用比重瓶法测量出的粉末的有效体积之比。3.3 沉降高度se

6、dmentation heght 悬浮液的表面到测量层面的垂直距离。3.4 累积质量分数cumulative undersize by m皿S斯托克斯直径小于一个已知直径的所有颗粒的质量。这可以表示为占全部颗粒的质量分数。1 GB/T 6524-2003/1S0 10076,1991 3.5 质量分数mass fraction 斯托克斯直径在两个己知值之间的所有颗粒质量。该质量分数可以表示为占全部颗粒的质量分数。3.6 入射光强blank intensi句穿过沉降槽中纯溶剂的出射光的强度。3.7 透过光强suspension intensity 沉降时穿过悬浮液的出射光的强度。4 符号表1本标

7、准申使用符号的含义符号定5l. 单位备注E 重力加速度m/!l g=9. 81 m/s2 L 吸收长度m 自光或X光光束穿过悬浮液路径的长度h 沉降高度1 . 初始浓度kg/m3 c 浓度kg/m3 l 液体密度kgf口p. 粉末的有效密度kg/m3 甲液体粘度N s/m2 1, 人射光强I 透过光强D 光密度D咔Km 消光%i数Aw 颗粒在随机方向的单位投影面积m2/kg Sw 粉末的质量比表面积m2/kg a 原于吸收系数t 沉降时间s ;M X 100 q = dd 质量分数% q I;i;M ，。i;M 两个给定直径之间的颗粒质量kg d 斯托克斯直径口1d=d I; ;M Q 累积质

8、量分数% Q=do d d sz X 100 I; ;M d-(J dm 悬浮液中最大颗粒的斯托克斯直径m 5 原理在液面下的一个己知深度h处，一束平行的白光或X光穿过悬浮液(见图)。2 GB/T 6524-2003/180 10076 ,1991 J巳I 、1=(- 光溜探测器圈1沉降装置原理图假设在沉降开始时刻(t=O)，粉末悬浮液处于均匀状态，其质量浓度为Co0颗粒在重力的作用下产生沉降现象。在沉降初期，光束所处平面溶质颗粒动态平衡，即离开该平面与从上层沉降到此的颗粒数相同。所以，在该处的浓度是保持不变的。当悬浮液中存在的最大颗粒粒径为dm)平面穿过光束平面后，该平面上就不再有相同大小的

9、颗粒来替代，这个平面的浓度也开始随之减少。因此，在时刻z和深度h处的悬浮液浓度中只含有小于d的颗粒。d由斯托克斯公式所决定，斯托克斯直径dst在时间r时为:E=JBh (P.一向)gt. ( 1 ) 对于可见光和X光，光束的衰减机理是不同的。对于可见光，光密度的变化间接反映了粉末的表面积，而对于X光，测量浓度直接与累积质量分布成正比关系。5. 1 粒度范围雷诺数的定义:产呐JR，=一一-.，. . . . . . . . ( 2 ) 可合并公式(1)和(2)以及R，0.25的条件，可以推测出本系统的最大测量颗粒粒度:4. 5#一(d，)叩=.1-斗工工工、E飞P.一向例如g对于青铜(p，=8

10、900 kg/m汀，在水中沉降时间=0.001N s/m ,PI = 1 000 kg/m勺，则颗粒的测量上限约为40m。由于存在布朗运动，亚微米颗粒的平均位移常常超出沉降范围。另外，细颗粒需要非常长的沉降时间或很小的沉降高度，而前者缺乏实际意义，后者导致分布曲线精确度低。因此，对于铜和铁.重力沉降法仅适用于斯托克斯直径大于O.5m左右的颗粒，或斯托克斯直径大于1m的轻金属。5.2 颗粒密度对于多孔和海绵状颗粒，沉降时要确定它的有效密度是非常困难的，这是由于在这个状态下开孔可能被液体部分地填充，而闭孔中为空气。所以在斯托克斯公式中，粉末颗粒的有效密度p，要比它的固体理论密度小。在合适的液体中利

11、用比重瓶法测量颗粒的密度是非常必要的，其测量值比固体理论密度更接近于有效密度。在任何情况下，都应对所采用的密度值进行说明。5.3 光吸收(光沉降法)通过简化，悬浮液中的光吸收满足兰伯特-比尔定律:3 GB/T 6524-2003/ISO 10076,1991 ln(I,/ ) AwcLK m . . . . . . ( 3 ) 通常假设z颗粒是不透明且外凸的(满足理论要求z外表面积是随机方向投影面积的4倍); 最初的光密度小于0.7(可以得到一个好的分辨率h一一消光系数恒定(通常Km假定为1)。则方程(3)可以写成:ln(l,/J) 5wcLKm/4 5wcL/4 (Km 1)( 4 ) 上述

12、假设在实际中是不合理的，因为Km取决于颗粒的粒度大小、粒度分布以及颗粒的透光能力。所以，衰减不直接取决于鼠，也就是说本方法只适用于比较相似的粉末。Km值与光束形状有关，因此它必须指明使用仪器。测得的光密度正比于颗粒的累积比表面积。然后通过方程(4)或图形计算可以转换得到颗粒质量分布(见附录A条款A.1)。依照光密度D，方程(4)可以写成:式中D 0.434 X手或D aA 也5A一一在体积中所有颗粒的表面积，该体积由横截面为s的光束所决定。一一比例常数。( 5 ) 考虑到在经过一个很短的时间间隔.t=t2 -t1后，悬浮液在光束面的状态已经改变，通过方程(1)可知山和tz对应的斯托克斯直径分别

13、为dl和仇，在时刻岛和h之间，所有性径在dl、d2之间的颗粒将沉降到光束平面下，这部分颗粒质量为fj.M。在光束区，颗粒的总表面积将会减少fj.A(颗粒的表面积从这平面消失)，可计算:fj.A二51-2X fj.M 主Xfj.M. . . . . . . . ( 6 ) p, a 这里，512为这部分颗粒的质量比表面积。并设该部分颗粒的平均斯托克斯直径为d，丁dl十d26 n一-一2 p.51-2 代入方程(6)，得到2AM=tEAA 由方程(5)，测量的光密度的改变量为.fj.D二M最后，这个方程可用于计算任何颗粒大小在dl-d2之间的质量分布zfj.M d fj.D ( 7 ) 其中卢为常

14、数。5.4 X光吸收(X光沉降法)4 在连续的X射线照射下，光吸收正比于光区中粉末的质量。所以有:叫丰)A浓度直接与粉末累积质量分数成正比。所以有:Q 100 C c , GB/T 6524-2003/ISO 10076 ,1991 6 步骤6. 1 制样6. 1. 1 粉末于接收态进行测量，且取样应按照GB/T5314进行，除非相关各方同意，否则不能对粉末进行分解、碾磨或其他的加工处理，如加工处理时，应详细记录或者参照有关规程。附录B给出了样品分散的一些方法。6. 1. 2 当被测粉末含有较多粗颗粒时(例如粒径大于100m的粉末)，这些颗粒在进行沉降实验前应通过筛分分离，并记录该过程。6.2

15、 悬浮液制备6.2. 1 选择悬浮液液体:液体的选择应满足下列要求一液体的密度应小于所测颗粒固体的理论密度g-一一固体不溶解于液体且不与其发生反应;-一一液体要有良好的润湿性，不会导致颗粒产生团聚$液体的粘度要合适，既不能使实验时间过长，也不能让粗大颗粒沉降太快。通常，在纯的液体中颗粒不能产生好的分散状态，在这种情况下有必要加入分散剂。添加时既可以直接加到液体中，也可以混入粉体中。附录C列出了几种悬浮液液体及对应的分散剂，对于特定系统可按6.2.2中的说明进行检查。6.2.2 分散测试z以下是测试悬浮液中颗粒是否团聚的几种方法。6.2.2.1 显微镜观察2滴一滴待测悬浮液放在显微镜的载物片上，

16、小心覆盖玻璃。在合适的放大倍数下，观察颗粒是否完全分散，是否聚集为链状或团状。6.2.2.2 定性沉降.进行沉降时，分散很好的悬浮液一般比絮凝物沉降得慢，在透明液体层和浑浊层之间不存在明显的界限，产生的沉降物比较结实、紧密。6.2.2.3 光学测量下的定量沉降z选择不同的悬浮介质、在相同粉末浓度下，摇匀后立即进行衰减测量，最大光密度值为最好的分散系统。6.2.2.4 X光吸收下的定量沉降3从低浓度开始(如体积分数为O.1 %) ，对不同的悬浮液体、不同浓度下的悬浮液进行定量测试，微小粒子比例最高的即为最好的分散系统。6.2.3 悬浮液制备z6.2.3.1 已知或者测定测试温度下液体的粘度和密度

17、，制备时，可先根据浓度秤取合适量的粉末，加入到液体中得到悬浮液;或者先将悬浮液液体慢慢地加入和粉末混合成膏状，然后再稀释成悬浮液。如果悬浮液液体不能很好地润湿粉末，可以在液体或粉体中加入一滴润湿剂。最后取合适体积的悬浮液。6.2.3.2 可以振动悬浮液或在沉降容器中搅拌将其分散。必要时，在分散皿或沉降槽中进行超声波处理或在负压下排气。选择分散处理的时间和强度，使团粒分散，同时不使颗粒破碎。6.3 沉降测试6. 3. 1 正确测试一般要求如下:沉降槽必须严格垂直放置，不能振动;沉降槽必须有隔热套层或置于恒温环境，使槽保持在己知温度，波动在土1C以内;而对于持续很久的分析(大于1h)，温度变化率则

18、应O.01 C/min; 5 GB(T 6524-2003(ISO 10076 ,1991 注意必须避免在液体中产生对流现象(例如蒸发或外部加热)以及质量迁移(由于悬浮液中密度变化)。6.3.2 在分析开始。O)前，应一直搅拌悬浮液(利用机械搅拌或磁性搅拌)。6.3.3 大多数仪器都会记录悬浮液的初始光密度或X射线吸收值，该值对应于100%累积粉末。开始测试之前，应将仪器调零，使光密度或X射线吸收值在纯液体情况下对应于0。注.建议采用有证标准物质对仪器进行标定。7 结果的表示7. 1 对于光沉降，光密度测试得到粉末表面的累积值，对每一时刻ti及对应的斯托克斯粒度乱，这些值分别可以转换成累积质量

19、分数(见附录A)。7.2 在X光沉降中，X光吸收值直接取决于质量浓度即累积质量分数。在某些情况下，利用图和曲线能方便的表现出从0到100%累积质量与斯托克斯直径的对数的函数关系。可将结果表示在专门的图表中，比如有关各方认可的对数正态曲线或双对数坐标图。B 测试报告6 测试报告应包含以下内容:a) 本标准号;b) 关于测试样品细节及详细说明gd 所使用的方法和仪器;d) 如果存在纽颗粒，记录其比例及分离方法;e) 被测样品的处理方法(干燥，分散); f) 悬浮液的制备方法t液体，所加分散剂，分散过程，浓度;自)所采用的有效密度值;h) 所得结果，i) 本标准没有规定的操作gj) 可能影响结果的任

20、何细节。A. 1 光沉降附录A(资料性附录)测量及其结果示例GB/T 6524-2003/180 10076: 1991 几种类型的商业仪器在许多国家都得到了广泛的应用。当依据本标准和制造厂的仪器说明操作时，它们给出具有重现性的结果。以下的范例可说明如何处理沉降测量方法。示例粉末，鸽p，19.3 g/cm气通过透过法测得等效球直径约为4m)仪器:直读式浊度turbidimet盯仪，T(%)100I/I.%。沉降高度:h=25mm 悬浮介质，0.1g/L的六偏磷酸纳水溶液表A.1给出了如下值，一一实验的结果，d，t和T(第1-2.3列光密度D(第4列面积累积分布(第5列)矶和d，之间的每一个百分

21、数(第69列) 光密度的增量t:lD;从+d 平均粒径d=7ig 数值d.D，与直径介于d，l日Ud，之间粉末的质量l!.M成正比， 质量分数q.与d l!.D值成正比关章，其表示为L，(dl!.D)中所占的百分比。最后一列(第10列)为结果，例如累积质量分数。利用第1至第5列所列值，可将面积累积分布(图A.l中曲线1)转化成质量累积分布(图A.l中曲线刀。曲线1上的点是以斯托克斯直径与表A.1中第5列中的值所得的面积分布曲线图。左边纵坐标表示为增量为10%的罩积分布，由分布曲线l通过转换可得累积质量分布(曲线2)。A.2 X射线沉降X射线吸收测量非常快，同时X射线光束在垂直方向是非常狭窄的(

22、O.5mm)，因此，在分析期间可以连续降低沉降高度h，从而在相对短的时间内获得小的斯托克斯直径。在某些仪器里，可以以不同的h作为时间t的函数预设程序，然后根据这些规则用X射线光束自动地扫描沉降体积，可实现完全自动化。这种方法有如下局限性:一一由于X射线的使用，使用液体必须有相对低的吸收系数;粉末中必须包含一定比率的原子序数大于13的化学元素。7 GB/T 6524-2003/1S0 10076, 1991 100 90 80 次70 悲嗣剧害50+啦号40 30 20 10 。1 斯托克斯直径d，/m 。主3 4 5 6 7 8 9 10 15 25 8 F , 100 436 80.5 35

23、1 65. 5 285 52.5 229 41. 3 180 31. 4 137 22. 7 99 15 65 8.2 36 3.0 。1 2 2 质量量积分布且积面积晶和单点面积8百二二面积罩积分布, , , , 盾量霸权分布56 示酬，43/: 在面朝量积分布为50%时，对于d，t=4.2m的且衰面朝为137所以赖性直径小子4.2m的质量罩朝分布为t 38 Q 137 436 XI00=缸.4%l 3 4 5 6 7 8 9 10 15 斯托克斯直径d/m 图A.1 用图表法将面积累积分布转换为质量累积分布表A.1 3 4 。6 7 8 9 10 设置时间透光度光啻度，面积D的增量平均粒径

24、. DXd 质量质量累积D2一10gTT/% 累积分布/.D d/m 第6行分数/%分数t/min (X 10) % (X 10) 第7行Q/% 100 。37.5 97. 3 12 2. 2 12 。.5 6 O. 2 O. 2 9.37 88.6 53 9. 9 41 1. 5 62 2. 5 2. 7 4. 16 73.3 135 25. 3 82 2. 5 205 8. 5 11. 2 2.34 59.0 244 45. 8 109 3. 5 381 15. 8 27.0 1. 49 45.2 345 64.7 101 4.5 455 18. 9 45.9 1. 04 38. 1 41

25、9 78.6 74 5.5 407 16. 8 62. 7 O. 766 34. 3 465 87.2 46 6.5 299 12. 4 75. 1 0.586 31. 9 496 93 31 7守5233 9.7 84.8 0.463 30.5 516 96.8 20 8. 5 170 7. 0 91. 8 o. 375 30.3 523 98. 1 7 9.5 67 2.8 94.6 0.166 29. 9 532 99.8 9 12.5 112 4.6 99.2 0.06 29. 3 533 100 20 20 0.8 2417 100 100 GB/T 6524-2003/180 10

26、076: 1991 附录B(资料性附录)用于分散粉末的预处理B. 1 总则本附录给出取样时破碎团粒方法的示例。B.2 研磨在光洁的纸面上将粉末铺展为薄层然后用玻璃棒轻轻的研磨。B.3 振动将粉末样品放置在一个干净和干燥的体积约为粉末样品10倍的瓶子里。封好瓶子.剧烈晃动2 mn。打开瓶盖，在测试前轻轻的搅动粉末，使原本在表面的细小粉末均匀的分散在整个样品中。B.4 棒磨这是一种用于分散难熔金属粉末的特殊方法，将粉末样品(30g鸽粉或铝粉，或50g的碳化鸽)放人直径为60mm的250白L的玻璃瓶中，瓶中装有50根直径为4mm、长75mm的鸽棒，封好瓶子，以150 r/min的速度旋转60min，

27、研磨后用1mm的筛子分离出鸽棒。如能取得同样效果，可以使用其他的研磨材料和条件(如塑料瓶，硬质合金棒，不同尺寸的研磨棒)。9 GBjT 6524-2003/150 10076 ,1 991 附录C(资料性附录)悬浮液示例表C.1 悬浮液示例粉末悬浮介质分散剂(浓度坦0.5g儿，特殊规定除外环己醇铝环己酣异丙醇煤油碳化跚水焦磷酸锅正丁醇/乙醇青铜环己酣，环己烧铅正丁醇煤油乙醇钻正T醇异丙醇7)( 焦磷酸销乙醇丙雷同铜环己醇正丁醇异丙醇水+甘油(1, 1) 7)( 单宁酸水亚油酸俐，5g/L 石墨水乙醇正T醇水六偏磷酸铀铁和钢水蛙乙基表面活化剂水/甘油正T醇环己醇铅环己团丙酣正丁醇镶乙醇正丁醇锺环

28、己酣异丁醇10 GB/T 6524-2003/180 10076: 1991 表C.1(续)粉末悬浮介质分散剂(浓度臼0.5g/L，特殊规定除外)乙醇丙酣水六偏磷酸锅，0.1g/L 铝水聚合链娃基磺化表面活化剂水/甘油水/乙二醇水/甘油镰乙醇E丁醇/丙酣环己酣硅水聚合链经基磺化表面活化剂乙醇碳化硅水焦磷酸饷E丁醇银水/甘油乙醇钮环己嗣环己醇锡水正丁醇，异丁醇聚合链怪基磺比表面活化剂水焦磷酸纳铁7)( 水六偏磷酸俐，口1g/L 水聚合链怪基磺化表面活化剂鸽水/甘油乙醇正丁醇水/乙二醇焦磷酸纳碳化鸽水六偏磷酸纳，0.1g/L 水聚合链腔基磺化表面活化剂乙醇钵环己醇E丁醇水六偏磷酸纳错异丁醇甲醇盐酸，0.01g/L