Способ получения мелко- и ультрадисперсных легированных порошков металлов

Изобретение относится к способу получения мелко- и ультрадисперсных легированных порошков металлов и сплавов. Способ включает электроэрозионное диспергирование металлов в рабочей жидкости с использованием в качестве рабочей жидкости слабоэлектропроводных электролитов, содержащих легирующие компоненты в виде растворов их соединений. Техническим результатом является упрощение технологического процесса, улучшение экологических условий производства, снижение энергетических затрат. 2 ил.

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к производству двух и более компонентных мелко- и ультрадисперсных металлических порошков с использованием физико-химических процессов. Может быть применено при получении боридов, нитридов и прочих сплавов металлов в виде порошков с размерами частиц от нескольких микрометров до нескольких нанометров для порошковой, электронной и других видов промышленности.

Известны физико-химические и механические способы получения металлических порошков. К физико-химическим способам относятся:

химическое восстановление оксидов металлов, электролиз водных растворов или расплавленных солей различных металлов, диссоциация карбонилов, термодиффузионное насыщение, испарение и конденсация, межкристаллитная коррозия. К механическим способам относятся: дробление и размол твердых материалов, диспергирование расплава, грануляция расплава, обработка твердых (компактных) металлов резанием [1]. Основными недостатками вышеперечисленных способов являются высокие энергетические затраты и ухудшение экологической обстановки при производстве металлических порошков.

Известен способ (прототип) получения металлических порошков электроэрозионным диспергированием металлов в потоке диэлектрических жидкостей: дистиллированной воде, керосине [2]. Этот способ включает введение армирующего компонента в охлаждающую среду, расплавление и распыление металла или сплава в охлаждающую среду методом электроэрозионного диспергирования. Также, по этому способу, введение армирующего компонента в охлаждающую жидкость можно осуществлять электроэрозионным диспергированием в этой жидкости материала армирующего компонента.

На практике этот способ осуществляют следующим образом. В рабочую жидкость (дистиллированную воду, керосин или другой диэлектрик) вводят мелкодисперсный порошок армирующего компонента или смешением, или предварительным электроэрозионным диспергированием армирующего металла в той же рабочей жидкости. При этом мелкодисперсный порошок армирующего компонента получают в виде взвеси (суспензии). Плотность взвеси армирующего компонента подбирают такой, чтобы полученный впоследствии композиционный порошок имел заданный фазовый состав. Армируемый металл или сплав диспергируют электроэрозионным способом, используя в качестве рабочей жидкости предварительно полученную суспензию, содержащую мелкодисперсный порошок армирующего компонента. Частицы армирующего компонента поддерживают во взвешенном состоянии перемешиванием рабочей жидкости.

При электроэрозионном диспергировании металла или сплава в диэлектрической жидкости, последний подвергается измельчению вследствие того, что в точке приложения электрического разряда, металл разогревается до температуры кипения, образуя лунку вокруг точки приложения электрического разряда. Из лунки кипящий металл взрывоподобно разбрызгивается в окружающую холодную рабочую жидкость, в которой взвешены мелкодисперсные частички армирующего компонента. Сталкиваясь при больших скоростях с частицами армирующего компонента, расплавленные мелкие капли армируемого компонента или сплава захватывают и обволакивают последние. Попав внутрь расплавленных капель металла, твердые частицы становятся центрами кристаллизации и ускоряют охлаждение и кристаллизацию расплавленных капель, скорость охлаждения расплавленных капель металла в холодной рабочей жидкости достигает 10⁷ К/с, вследствие чего частицы армирующего компонента не успевают расплавиться, даже имея температуру плавления ниже, чем расплавленный металл. В результате этого армирующие частицы сохраняют свою форму и фазовый состав.

По окончании процесса отстаиванием (седиментацией) разделяют полученный композиционный порошок и оставшиеся в рабочей жидкости частицы армирующего компонента. После чего композиционный порошок отделяют от рабочей жидкости и высушивают.

Недостатком данного способа является то, что он позволяет получить порошки того же химического состава, что и диспергируемые металлы или же механическую смесь (композит) двух компонентов, не образующую сплава.

Описание изобретения

Техническим результатом является упрощение технологического процесса, улучшение экологических условий производства, снижение энергетических затрат при получении мелко- и ультрадисперсных легированных порошков металлов.

Он достигается тем, что в способе получения мелко- и ультрадисперсных порошков металлов методом электроэрозионного диспергирования, согласно изобретению, диспергирование осуществляют в слабоэлектропроводных электролитах, содержащих легирующие компоненты в виде растворов их соединений.

Способ осуществляется следующим образом. В реактор, представляющий собой сосуд, изготовленный из диэлектрического материала, устанавливаются электроды в виде пластин из того же материала, который подвергается диспергированию и легированию. Между электродами в реакторе засыпают диспергируемый металл в виде мелких кусочков или стружки. Через реактор прокачивают рабочую жидкость, которая представляет собой раствор в диэлектрической жидкости (воде, керосине, спиртах) химического соединения, содержащего в достаточно больших количествах легирующий химический элемент. На электроды в реакторе подают импульсы электрического тока с напряжением в несколько сот вольт и частотой до 1 кГц.

Поток рабочей жидкости, проходя через слой кусочков металла или стружки, заставляет их шевелиться. При этом контакты между отдельными кусочками металла разрываются и между ними проскакивает электрическая искра, если удельная электропроводность рабочей жидкости меньше, чем удельная электропроводность слоя металлических кусочков, находящихся между электродами.

Как известно, температура в искровом канале электрического разряда может достигать 10000-12000 К. В месте удара искрового электрического разряда на поверхности металла образуется лунка расплавленного, кипящего и испаряющегося металла, размер которой обычно не превышает 1 мм. Рабочая поверхность вокруг искрового канала испаряется и атомы, содержащиеся в ней, ионизируются. Так как длительность электроискрового разряда измеряется в миллисекундах, процесс плавления и испарения металла происходит взрывообразно. Капли расплавленного металла и его пары разлетаются из лунки со скоростью до 1000 м/с. Пролетая через ионизированный пар рабочей жидкости, пары и капли расплавленного металла взаимодействуют с потоками рабочей жидкости, образуя химические соединения. Попадая в холодную область рабочей жидкости, пары и капли расплавленного металла быстро остывают и тормозятся. Поток рабочей жидкости выносит остывшие мелкодисперсные частички образовавшегося сплава в отстойную емкость, из которой насосом опять эти частички прокачиваются вместе с рабочей жидкостью через реактор, где подвергаются дополнительному диспергированию и легированию.

Известно, что частицы металла с размерами менее нескольких микрометров имеют химическую активность, во много раз, иногда в сотни раз превышающую химическую активность монолитного металла, и могут вступать в реакции, в которые не вступают крупные частицы металла. Кроме того, молекулы рабочей жидкости под действием электромагнитного поля между электродами диссоциируют, что еще более ускоряет протекание химической реакции с мелкодисперсными частицами металла. Часть атомов в рабочей жидкости, не вступающих в химические реакции с металлом, образует или газообразные летучие или растворимые соединения. Газообразные соединения улетучиваются из рабочей жидкости, растворимые удаляются из полученного порошка вместе с рабочей жидкостью.

В процессе диспергирования концентрация легирующего компонента корректируется по мере его вырабатывания добавлением в рабочую жидкость или этого компонента, или химического соединения, его содержащего.

Процесс длится до получения необходимого количества легированного порошка металла заданной дисперсности, после чего порошок отделяется из рабочей жидкости центрифугованием, фильтрацией, седиментацией (отстаиванием) или другим способом и сушится. Рабочую жидкость после корректировки концентрации легирующего элемента используют повторно.

Пример 1. Для получения нитрида титана берут измельченный в виде стружки или небольших кусочков титан и засыпают его в реактор, в котором установлены электроды, изготовленные из листового титана. В качестве рабочей жидкости используют 25% водный раствор аммиака (NH₃) (нашатырный спирт). На электроды от генератора электрических импульсов подают напряжение от 200 до 500 В с частотой от 100 до 1000 кГц. По цепочкам кусочков титана между электродами протекает импульсный электрический ток, вызывающий искровые разряды между отдельными кусочками. Электроискровые разряды вызывают в месте их удара в поверхность кусочков титана плавление, кипение и испарение металла, а также испарение аммиачного раствора и ионизацию содержащихся в них атомов азота и водорода. Микрокапли и пары титана, пролетая через паровую ионизированную рубашку, образующуюся вокруг электроискрового канала, взаимодействуют с ионами азота, образуя химическое соединение - нитрид титана, который, попадая в холодную область рабочей жидкости, быстро остывает и выносится с ее потоком в виде мелкодисперсных частичек в отстойную емкость, из которой опять вместе с рабочей жидкостью прокачивается через реактор до получения необходимого количества порошка требуемой дисперсности. В процессе диспергирования концентрация аммиака в растворе поддерживается на постоянном уровне добавлением последнего в рабочую жидкость.

По окончании процесса, осевший в отстойной емкости мелкодисперсный порошок нитрида титана желтого цвета (фигуры 1, 2) отделяют от рабочей жидкости центрифугованием, седиментацией (отстаиванием) или другим способом и сушат. Нитрид титана используют в порошковой металлургии для получения сверхтвердых, коррозионно-стойких и износостойких соединений или покрытий.

Пример 2. Для получения борида титана диспергируемый металл используют по примеру 1. В качестве рабочей жидкости используют водный раствор тетрабората натрия - Na₂B₄О₇ (бура), растворяя последний в дистиллированной воде. Концентрацию раствора подбирают так, чтобы электрическое сопротивление электролита было меньше, чем электрическое сопротивление слоя кусочков титана, находящихся в электролите между электродами.

Процесс диспергирования и легирования порошка титана осуществляют по примеру 1. Концентрацию тетрабората натрия в рабочей жидкости по мере необходимости корректируют, добавляя последний в отстойную емкость или непосредственно в раствор. Натрий, содержащийся в тетраборате натрия, взаимодействуя с ионами водорода, кислорода или гидроксилом ОН^--, образует щелочь - NaOH, которая легко нейтрализуется добавлением в рабочую жидкость соляной кислоты. При этом образуется водный раствор хлористого натрия - NaCl (поваренная соль), которая легко удаляется промыванием порошка полученного борида титана после его отделения от рабочей жидкости. По окончании процесса, осевший в отстойной емкости порошок борида титана отделяют от рабочей жидкости и сушат по примеру 1. Рабочую жидкость после корректировки концентрации тетрабората натрия используют повторно.

Борид титана по твердости уступает только алмазу и применяется в порошковой металлургии для изготовления сверхтвердых сплавов, режущего инструмента, износостойких покрытий.

Литература

1. Кипарисов С.С., Либенсон Г.А. Порошковая металлургия. - М.: Металлургия, 1991, 432 с.

2. Авторское свидетельство SU 1376362 А1 5, В 22 F 9/02. Фоминский Л.П. Способ получения композиционных порошков.

Способ получения мелко- и ультрадисперсных порошков легированных металлов электроэрозионным диспергированием металлов в рабочей жидкости, отличающийся тем, что диспергирование осуществляют с использованием в качестве рабочей жидкости слабоэлектропроводных электролитов, содержащих легирующие компоненты в виде растворов их соединений.