Сферический порошок алюминиево-цинкового сплава и способ его получения

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, к получению сферического порошка алюминиево-цинкового и его составу. Предложенный порошок, содержащий фракции крупностью менее 50 мкм, согласно изобретению содержит 20-30 мас.% цинка, состоит из частиц сферической формы и имеет следующий фракционный состав: не менее 97% фракции крупностью менее 50 мкм, а остальное - 50-100 мкм, при этом удельная поверхность частиц находится в пределах 0,15-0,25 м²/г. В предложенном способе получения порошка, включающем распыление расплава азотом, согласно изобретению распыление осуществляют азотом, содержащим 0,3-5,5 об.% кислорода, нагретым до температуры 300-500°С, при давлении 1,5-3 МПа и при температуре расплава 700-900°С. Обеспечивается получение порошков заданных химического и гранулометрического состава и безопасность технологического процесса. 2 н.п. ф-лы.

Настоящее изобретение относится к области порошковой металлургии цветных металлов, конкретно - к составу и форме частиц порошка Al-Zn сплава и способу его получения.

Известны порошки Al-Zn сплава с содержанием до 50% Zn [1], которые используются в качестве сырья при производстве пасты и компонентов антикоррозионных композиций и покрытий.

Недостатком этих порошков является их осколочная или пластинчатая форма частиц, определяемая методом их получения - размолом (механическим измельчением). Порошки Al-Zn сплавов с осколочной формой частиц обладают плохими реологическими характеристиками и грубой микроструктурой, по этой причине они имеют ограниченное применение, в частности, в топливных составах.

Известен порошок алюминиево-кремниевого сплава, содержащий 25% Zn и 69-74% фракции -50 мкм и имеющий удельную поверхность 0,15-0,16 м²/г [2]. Недостатком таких порошков является их большая крупность. Такие порошки используются лишь в химической и металлургической промышленности и для изготовления химических источников тока.

Известны способы получения порошков алюминия и его сплавов методом распыления расплавов сжатыми газами [3]. Для получения порошков каждого конкретного сплава требуются специфические технологические параметры процесса распыления: давление и скорость распыливающего газа, его удельный расход на 1 кг распыливаемого металла. Например, порошки цинка и его сплавов, в том числе с алюминием, получают методом распыления сжатым воздухом [4] под давлением 0,2-0,6 МПа. Полученные таким способом порошки имеют каплевидную или сферическую форму частиц, однако их размер составляет 50-300 мкм. Недостатком этого способа является недопустимость применения воздуха для получения порошка мельче 50 мкм из-за их взрывоопасности и отсутствия гарантии обеспечения пожаровзрывобезопасности процесса производства.

Недостатком данного способа является его непригодность для изготовления высокодисперсных сферических порошков Al-Zn сплавов по причине взрывоопасности процесса распыления воздухом и низкого давления распыливающего газа, а сами порошки непригодны для использования в топливных составах. Для осуществления распыления инертным газом отсутствуют конкретные технологические параметры, соблюдение которых обеспечит решение технической задачи.

Известен способ получения порошков сплава Al-Zn распылением расплава сжатым азотом [2] с регламентированными основными параметрами процесса: давление газа 2,0-2,2 МПа; температура расплава 760°С, удельный его расход 0,5-0,6 нм³ на 1 кг расплава. Недостатком этого способа является невозможность использования данных технологических параметров для производства высокодисперсных AI-Zn порошков, необходимых для топливных составов.

Ближайшим аналогом предлагаемого порошка алюминиево-цинкового сплава и способа его производства является порошок и способ, раскрытый в [2].

Недостатком порошка является его большая крупность, а недостатком способа - невозможность получения по нему порошков высокой дисперсности, необходимой для производства топливных составов.

Задачей настоящего изобретения является получение порошков алюминиево-цинкового сплава заданных химического и гранулометрического состава со сферической формой частиц и безопасность технологического процесса их получения.

Техническое решение задачи заключается в том, что порошок алюминиево-цинкового сплава, содержащего фракции крупностью менее 50 мкм, который содержит 20-30% (мас.) цинка, состоит из частиц сферической формы и имеет следующий фракционный состав: не менее 97% фракции крупностью менее 50 мкм, а остальное 50-100 мкм; при этом удельная поверхность частиц находится в пределах 0,15-0,25 м²/г.

В способе получения порошка алюминиево-цинкового сплава, включающем распыление расплава азотом, распыление расплава осуществляют азотом, содержащим 0,3-5,5 об.% кислорода, нагретым до температуры 300-500°С, при давлении 1,5-3 МПа и при температуре расплава 700-900°С.

Содержание кислорода в азоте ниже 0,3% создает опасность возгорания порошка на воздухе при разгрузке. При содержании кислорода в азоте более 5,5% возникает опасность возгорания и взрыва в процессе производства и, кроме того, снижается содержание металлической фазы в порошке вследствие образования более толстой оксидной пленки.

Повышение давления более 1,5 МПа обеспечивает увеличение дисперсности порошка: выход целевой фракции (≤ 50 мкм) при 1,5 МПа составляет 50-60%, при 3,0 МПа - более 70%.

Повышение температуры расплава на каждые 50°С сопровождается повышением производительности процесса распыления на 20-30% при сохранении выхода целевой фракции на уровне 80-90%. Оптимальный температурный режим 700-900°С. Ниже 700°С способ не обеспечивает высокие показатели по дисперсности порошка и выходу целевой фракции. Нагрев расплава выше 900°С резко ухудшает условия безопасности процесса распыления.

Аналогично влияние температуры распыливающего газа, оптимальное значение которой определено экспериментально.

Полученный пульверизат рассевают известным способом, получая порошок, содержащий более 97% фракции мельче 50 мкм.

Пример получения порошка AI-Zn сплава по заявляемой технологии.

Опыты проводились на опытной крупнолабораторной распылительной установке для производства алюминиевых порошков нагретым до 300°С газообразным азотом под давлением 1,5 и 3,0 МПа, содержащим от 0,3 до 5,5 об.% кислорода, при температуре расплава 700 и 900°С. При соблюдении вышеуказанных условий получены порошки AI-Zn сплава, содержащие от 70 до 90% сферических частиц крупностью менее 50 мкм. После ситовой классификации распыленного порошка получен порошок, содержащий от 97 до 99% фракции крупностью менее 50 мкм, имеющий удельную поверхность 0,15-0,25 м²/г.

Предлагаемый порошок испытан с положительными результатами в топливных составах, где в качестве энергетического компонента используются алюминийсодержащие порошки различного химического и фракционного состава.

При этом экспериментально было установлено, что горючее в виде порошка алюминиево-цинкового сплава со сферической формой частиц обеспечивает плотную упаковку высоконаполненного полимера - смесевого твердого топлива.

Для созданной рецептуры смесевого твердого топлива под конкретный заряд установлено оптимальное содержание цинка в сплаве - 25% (мас.) и оптимальная крупность частиц порошка - менее 50 мкм.

Содержание алюминиево-цинкового горючего в топливе 7-9%. Полученные соотношения подтверждены лабораторными исследованиями, практикой отработки заряда и натурными стрельбами зарядов перспективных систем полевой артиллерии.

Использованные источники

1. Заявка Японии № 57-9759, 1982.

2. Гопиенко В.Г. и др. Спеченные материалы из алюминиевых порошков. М.: Металлургия, 1993, с. 31-32.

3. Производство и применение алюминиевых порошков. М.: Металлургия, 1980, 68 с.

4. Лакерник М.М., Пахомова Г.Н. Металлургия цинка и кадмия. М., 1969.

Формула изобретения

1. Порошок алюминиево-цинкового сплава, содержащий фракции крупностью менее 50 мкм, отличающийся тем, что он содержит 20-30 мас.% цинка, состоит из частиц сферической формы и имеет следующий фракционный состав: не менее 97% фракции крупностью менее 50 мкм, а остальное - 50-100 мкм, при этом удельная поверхность частиц находится в пределах 0,15-0,25 ²/г.

2. Способ получения порошка алюминиево-цинкового сплава, включающий распыление расплава азотом, отличающийся тем, что распыление осуществляют азотом, содержащим 0,3-5,5 об.% кислорода, нагретым до температуры 300-500°С, при давлении 1,5-3 МПа и при температуре расплава 700-900°С.