Устройство для получения ультрадисперсных металлических порошков

 

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности, к устройствам для получения ультрадисперсных металлических порошков конденсацией из паровой фазы. Испарительная емкость, в которой осуществляют нагрев и испарение металла, конструктивно объединена с емкостью источника плазмы, в которой осуществляют перегрев паров металла перед выпуском их в объем вакуумной камеры. При этом для испарения металла и перегрева паров металла используется один электродуговой нагреватель. Электрическая энергия, подводимая к катоду и сопло-аноду, сообщается стенкам испарителя и испаряемому металлу, а также смеси паров металла с инертным газом. При истечении из испарителя перегретой смеси паров металла с инертным газом в вакуумную камеру достигается высокая степень перенасыщения паров металла, приводящая к их конденсации и образованию дисперсных частиц. Изобретение позволяет снизить энергозатраты на единицу массы получаемого металлического порошка при одновременном упрощении устройства. 1 ил.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к устройствам для получения ультрадисперсных металлических порошков конденсацией из паровой фазы.

Известны устройства для получения ультрадисперсных металлических порошков из газовой фазы при дуговом распылении металлов, испарении металлов в атмосфере инертного газа, испарении металлов в вакууме и др. [1, с. 38-43]. В таких устройствах различными методами осуществляют нагрев испаряемого металла до высоких температур, при которых создается достаточное давление паров испаряемого металла. Затем пары металла переносят в область камеры с более низкой температурой, где и происходит конденсация паров металла в газовом объеме и на холодных стенках камеры. Известные устройства представляют собой изолированные камеры, откачиваемые до определенного давления или заполненные инертным газом, в одной части которых расположены испарители (тигли, лодочки, электрическая дуга), а в другой охлаждаемой части камеры находится сборники порошка. Известно также техническое решение - установка для получения металлических порошков конденсацией из паровой фазы [2], в котором испаритель металла и узел конденсации объединены конструктивно в одном корпусе.

Недостатком известных устройств является сильная неоднородность фракционного состава получаемого порошка.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту, одновременно являющимся базовым объектом, является устройство, в котором реализуется способ получения мелких металлических частиц, содержащее испаритель металла, генератор плазмы и систему подачи несущего газа [3]. Известное устройство [3] представляет собой генератор плазмы, с помощью которого осуществляют нагрев и плавление металла, содержащегося в тигле. Образующиеся металлические частицы выносятся газом из области, в которой происходит плавление и испарение исходного металлического сырья. Таким образом, известное устройство содержит узел, в котором осуществляют плавление и испарение металла, из которого пары поступают в другой охлаждаемый узел камеры.

К недостаткам известного устройства следует отнести наличие двух областей камеры, в одной из которых осуществляют нагрев испаряемого металла до высоких температур, а в другой охлаждение паров и несущего газа до низких температур.

Задача изобретения заключается в снижении энергозатрат на единицу массы получаемого металлического порошка при одновременном упрощении устройства.

Выполнение задачи достигается тем, что испарительная емкость, в которой осуществляют нагрев и испарение металла, конструктивно объединена с емкостью, в которой осуществляют перегрев паров металла перед выпуском их в объем вакуумной камеры. При этом для испарения металла и перегрева паров металла используется один электродуговой нагреватель. Перегрев паров металла в электрической дуге до температуры порядка 10⁴К, при которых пары металла диссоциируют на отдельные атомы, перед их истечением в вакуумную камеру необходим для того, чтобы создать одинаковые условия конденсации паров при их адиабатическом охлаждении.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается от прототипа конструктивным объединением испарителя и генератора плазмы. В устройстве испаритель выполнен в виде коаксиально установленных стаканов с общим дном, образующих кольцевую полость для расплава, а генератор плазмы выполнен в виде полого катода, через который прокачивают плазмообразующий газ, установленного по оси внутреннего стакана, и сопла-анода, размещенного в донной части испарителя. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что одновременно испарители известны. Однако, устройств испарителей с одной камерой, в которой осуществляют испарение металла и перегрев паров металла нет. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

Техническая сущность изобретения поясняется схемой устройства для получения ультрадисперсных металлических порошков, приведенной на чертеже.

Устройство для получения ультрадисперсных металлических порошков содержит вакуумную камеру 1, с расположенными внутри камеры 1 испарителем металла 2. Внутри испарителя 2 имеется коаксиальная полость 3, предназначенная для заполнения металлом 4. Через верхнюю, непроводящую электрический ток, крышку испарителя 5 внутрь испарителя 2 введен катод 6. Катод 6 имеет набивку из вольфрамовой проволоки 7. В нижней части испарителя 2 установлено сопло-анод 8, изготовленное из вольфрама. Сопло-анод 8 крепится к испарителю с помощью теплоизолирующего фланца 9. Питание на катод 6 и сопло-анод 8 подается от источника постоянного тока 10. Дозированная подача инертного газа в область горения дуги осуществляется через полый катод 6 с помощью ротаметра 11 и регулирующего вентиля 12. Давление внутри испарителя 2 измеряют датчикам давления 13, а в объеме вакуумной камеры - датчиком 14. Откачку из вакуумной камеры 1 производят через патрубок 15. Ссыпку полученного порошка из вакуумной камеры 1 осуществляют через задвижку 15 в контейнер 17.

Устройство работает следующим образом. Испаритель 2 загружают металлы 4 так, чтобы при интенсивном кипении металла он не выбрасывался из коаксиальной полости 3. Включают вакуумные насосы и производят откачку вакуумной камеры 1 через патрубок 15. В испаритель 2 через полый катод 6 т вольфрамовую набивку 7 с помощью ротаметра 11 и регулирующего вентиля 12 подают инертный газ и зажигают электрическую дугу между вольфрамовой набивкой 7 катода 6 и соплом-анодом 8. Питание дуги электрической энергии, подводимой к электродам, идет на увеличение энергии инертного газа, а другая часть энергии отводится электродами соплом-анодом 8 и катодом 6. Энергия, отводимая соплом-анодом 8, будет сообщаться стенками испарителя 2 и испаряемому металлу 4, находящемуся в коаксиальной полости 3. Энергия, отводимая катодом 6, будет сообщаться холодному инертному газу, протекающему через внутреннюю полость катода 6 и парам металла, обтекающим наружные стенки катода. Выход испарителя на заданный режим определяется давлением паров металла внутри испарителя 2 и температурой стенок испарителя. Давление внутри источника плазмы определяется датчиком давления 13. Требуемый режим испарения металла задается и регулируется током греющей дуги.

При истечении плазменной струи парогазовой смеси из сопла-анода 8 а вакуумную камеру 1 происходит резкое охлаждение смеси /10⁴-10⁷ К/с/ на начальном участке струи. В результате такого охлаждения достигается высокая степень перенасыщения паров металла в струе, приводящая к их конденсации. Сформированные в струе частицы осыпаются вниз камеры 1, а инертный газ откачивается из вакуумной камеры 1 через патрубок 15. Давление внутри вакуумной камеры 1 измеряется датчиком давления 14. По завершении процесса испарения металла из испарителя 2 полученный металлический порошок ссыпают в контейнер 17 через задвижку 16.

С помощью описанного устройства можно получать также и тугоплавкие металлические порошки нитридов, карбидов и окислов. Для этого вместе с инертным газом в область горения дуги необходимо подавать добавку соответствующего реакционного газа: азота, кислорода или углеродсодержащего газа.

Источники информации 1. Romanowski W. , Engels S. Hochdisperse Metall. - Berlin: Academic-Verlag, 1982.

2. А.с. СССР, N 653028, 1979. Кл. B 22 F 9/12.

3. Заявка Японии N 61-179806, 1986. Кл. B 22 F 9/14.

Формула изобретения

Устройство для получения ультрадисперсных металлических порошков, содержащее испаритель металла, генератор плазмы и систему подачи несущего газа, отличающееся тем, что испаритель выполнен в виде коаксиально установленных стаканов с образованием кольцевой полости для расплава и общим дном, а генератор плазмы выполнен в виде полого катода, размещенного в испарителе по оси внутреннего стакана, и сопла-анода, установленного в донной части последнего.

РИСУНКИ

Рисунок 1