Способ получения композиционного ультрадисперсного порошка
Владельцы патента RU 2425161:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кемеровский государственный университет" (КемГУ) (RU)
Изобретение относится к металлургической промышленности, в частности к получению ультрадисперсных порошков. Может использоваться в качестве модификаторов, присадок и раскислителей. Расплав состава, мас.%: алюминий - 26,0-32,0, углерод 0,86-1,30, железо - остальное, разливают толщиной 1-2 мм по поверхности чугунного листа, охлаждают до комнатной температуры и дробят на куски. Куски помещают в паровую камеру с температурой более 100°С и влажностью 15-20% и выдерживают в течение 1-2 часов. Затем охлаждают до комнатной температуры с получением порошка в виде ультрадисперсных частиц размером 102-103 нм. Способ позволяет упростить технологию получения композиционного наноразмерного порошка и получить порошок, обладающий большой адгезионной способностью к газам в металлических расплавах, вследствие чего имеет модифицирующие свойства для чугунов и силуминов с повышением механической прочности. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к металлургической промышленности и другим отраслям, где используются алюминиевый чугун, карбид и оксид алюминия в качестве присадок и раскислителей.
Известен способ получения композиционного материала алюминий-карбид кремния (Патент РФ №2348719, МПК С22С 1/10, С22С 21/00, опубл. 10.03.2009), который относится к области литейного производства и может быть использован для получения отливок и заготовок для обработки давлением из композиционного материала с алюминиевой матрицей, упрочненной карбидокремниевыми включениями. Проводят плавку алюминиево-кремниевого сплава и его обработку углекислым газом. Получают литейные отливки композиционного материала.
Известен способ получения алюминия из его оксида (Патент РФ №2163268, МПК С22И 5/10, опубл. 20.02.2001), который включает формирование реакционного объема расплава на основе фторидов металлов, наложение на расплав электрического тока, загрузку шихты, содержащей оксид алюминия, и его выделение из реакционного объема. На расплав накладывают переменный электрический ток, алюминий восстанавливают при температуре 1000-1100°С, а восстановителем служит углерод графитовых электродов, при этом в качестве фторидов металлов используют криолит. При осуществлении способа исключается образование карбида и оксикарбидов алюминия и использование постоянного тока.
Известен интегрированный процесс непрерывного теплового синтеза нанопорошков (Патент США №5851507, МПК B22F 9/02, опубл. 22.12.1998) из различных материалов, включающий предварительный прогрев материала паром и охлаждение паровой фазы. Прогретый материал, находящийся во взвеси несущего газа, постоянно выпаривается в тепловой реакционной камере в условиях, способствующих ядрообразованию. После стадии ядрообразования паровой поток равномерно охлаждается со скоростью около 1000 К/с, блокируя последующий рост ядровых частиц и создавая взвесь нанопорошка в узком диапазоне разброса наночастиц. Нанопорошок затем собирают путем фильтрации из паровой фазы, и несущая среда очищается, сжимается и рециклирует для смешивания с новой порцией прогретого материала. Такой процесс хотя и рассчитан на получение нанопорошков из многих материалов, но технологически сложен, требует использования специального оборудования.
Известен способ получения мелкозернистых порошков (Анашкин Н.С., Павленко С.И. Кн. Мартеновские шлаки и их использование в металлургии и других отраслях народного хозяйства. - Новосибирск, Со РАН, 2006. - 136 с.). Разработана технология извлечения железа и его оксидов из шлаков мартеновского производства, в которой использован плазмохимический синтез и измельчение шихты на мельницах-активаторах. Полученные порошки имеют крупные частицы и предназначены для утилизации отходов мартеновского производства в качестве заполнителей мелкозернистых бетонов и закладочных смесей для заполнения выработанных пространств шахт и рудников. Недостатками также являются большие энергетические затраты и расходы при производстве порошков и использование уникального оборудования.
Наиболее близким по составу компонентов является способ получения алюминиевого чугуна, карбида и оксида алюминия (Селянин И.Ф. Термоэлектрические и термомагнитные свойства синтетических чугунов в зависимости от концентрации графитизирующего и отбеливающего элемента // Дис. на соиск. уч. ст.канд. техн. наук. - Новокузнецк, 1968. - С.61-74; Бобро Ю.Г. Алюминиевые чугуны. - Харьков. ХТУ, 1964), в котором сплав Fe-Al-C из исходных компонентов выплавляют в печи Таммана в составе, % мас.: Аl (26-32); С (0,8-1,3); Fe (остальное), а при кристаллизации сплава образуется сложная карбидоподобная фаза FeAlCn и карбид алюминия Аl4С3, сплавы которых называют алюминиевыми чугунами, где углерод находится в связанном состоянии.
Недостатком способа для целей изобретения является отсутствие стадий получения ультрадисперсного порошка.
Задачей изобретения является получение композиционного ультрадисперсного порошка из алюминиевого чугуна, частицы которого имеют большую удельную поверхность и лучшие модифицирующие свойства при выплавке алюминиевых чугунов и силуминов, а также упрощение технологии изготовления такого порошка по сравнению с аналогами.
Решение поставленной задачи достигается тем, что при получении композиционного ультрадисперсного порошка путем разливки расплава, содержащего 26-38 мас.% алюминия, 0,86-1,2 мас.% углерода, железо - остальное, предлагается расплав разливать по поверхности чугунного листа тонким слоем, охлаждать до комнатной температуры, дробить на мелкие фрагменты, помещать в паровую камеру с температурой более 100°С и влажностью 15-20%, выдерживать в течение 1-2 часов, охлаждать на воздухе и в результате получать композиционный ультрадисперсный порошок с размером частиц 102-103 нм, содержащих FeAlCn, карбид алюминия и оксид алюминия. При этом разливку расплава по поверхности чугунного листа выполняют толщиной 1-2 мм. И дробление охлажденного слоя выполняют на фрагменты 3-10 мм.
Способ осуществляется следующим образом.
Стальная обрезь состава, % мас.: 0,8-14% С; 0,05% Si, остальное железо, загружается в тигель из аллунда, помещается в печь Таммана, расплавляется и легируется путем добавки алюминиевой проволоки до состава 26-32% Аl. Расплав в процессе легирования перемешивают аллундовой трубкой, а затем разливают на чугунном листе тонким слоем толщиной 1-2 мм, охлаждают на воздухе до комнатной температуры и дробят на фрагменты размером 3-10 мм.
Раздробленную фракцию помещают в закрытую металлическую емкость - паровую камеру - размером 0,01-0,02 м3, через которую пропускают горячий воздух с температурой 110-120°С, увлажненный до 15-20% по объему, и выдерживают в паровой ванне 1-2 часа. За это время в указанных условиях фракция превращается в композиционный ультрадисперсный порошок с размером частиц 102-103 нм, содержащих FeAlCn, Аl(ОН)3, Аl2О3.
Металлографический и рентгенофазный анализ показывает, что карбид алюминия Аl2О3 легко взаимодействует с влагой воздуха при комнатной температуре по реакции:
Аl4С3+12Н2O→4Аl(ОН)3+CH4↑
В результате продукты реакции имеют объем, в 103 раз больший объема исходных веществ, при этом массивные образцы сплавов рассыпаются в тонкодисперсный порошок с размером частиц 102-103 нм, состоящих из смеси FeAlCn, Аl(ОН)3, Аl2О3.
При нагревании смеси до 100°С гидроксид алюминия разлагается
2Аl(ОН)3→Аl2O3+3Н2О
С увеличением концентрации алюминия от 27 до 32% количество карбида алюминия возрастает. Если количество карбида алюминия Аl2О3 возрастает, то ультрадисперсный порошок повышает свою дисперсность. Экспериментально установлено, что при разливе тонким слоем 1-2 мм и помещении дробленых фрагментов 3-10 мм в паровую камеру с температурой более 100°С и влажностью 15-20% при кристаллизации получается композиционный ультрадисперсный порошок с размером частиц 102-103 нм, который при последующем остывании на воздухе рассыпается.
Слой разливки толщиной более 2 мм нецелесообразен ввиду того, что он хуже поддается дроблению и требует больших энергетических затрат.
При температуре менее 100°С и давлении Р=1,01×105 Па (нормальное атмосферное давление) пар превращается в воду и скорость разложения карбида углерода резко снижается.
При температуре выше 150°С, увеличении влажности воздуха более 20% и при выдержке более двух часов резко увеличиваются энергетические затраты на образование и поддержание необходимых параметров пара.
В результате получают ультрадисперсный порошок, содержащий FeAlCn, Аl(ОН)3, Аl2О3, из расплава, содержащего алюминиевый чугун, на простом оборудовании в мягких технологических условиях, обладающий большой адгезионной способностью к газам в металлических расплавах, большими модифицирующими свойствами и применяется как модификатор для чугунов и силуминов для повышения механической прочности и пластичности.
Пример.
Для приготовления расплава композиционного материала берут стальную обрезь состава, мас.%: 10С, 0,05, остальное Fe, загружают в тигель из аллумина, помещают в печь Таммана, расплавляют и легируют добавкой алюминия в количестве 30% от состава расплава, который перемешивают аллундовой трубкой и затем разливают на чугунном листе слоем 2 мм, охлаждают на воздухе до комнатной температуры и дробят на фрагменты 3-10 мм. Раздробленные фрагменты помещают в металлическую емкость размером 0,02 м3, через которую пропускают горячий воздух с температурой 120°С, увлажненный до 20%, и выдерживают в паровой ванне 2 часа, и в результате получают порошок смеси алюминиевого чугуна, карбида и оксида алюминия с размером частиц преимущественно 102 нм.
Примеры других технологических параметров получения данных композиционных соединений приведены в таблице.
| Таблица | ||||
| Примеры технологических параметров способа | ||||
| Примеры | Температура паровой камеры, °С | Влажность паровой камеры, % | Время выдерживания, ч | Дисперсность порошка, нм |
| 1 | 100 | 15 | 1,0 | 103 |
| 2 | 120 | 18 | 1,5 | 103 |
| 3 | 150 | 20 | 2,0 | 102 |
| 4 | 180 | 30 | 2,5 | 102 |
1. Способ получения композиционного ультрадисперсного порошка, включающий разливку расплава, содержащего 26,0-32,0 мас.% алюминия, 0,86-1,30 мас.% углерода, железо - остальное, по поверхности чугунного листа тонким слоем, охлаждение его до комнатной температуры и дробление на куски, которые помещают в паровую камеру с температурой более 100°С и влажностью 15-20%, выдерживают в течение 1-2 ч и охлаждают на воздухе с получением композиционного ультрадисперсного порошка с размером частиц 102-103 м, содержащих FeAlCn, карбид алюминия и оксид алюминия.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разливку расплава по поверхности чугунного листа алюминиевого чугуна выполняют толщиной 1-2 мм.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дробление охлажденного слоя выполняют с получением кусков размером 3-10 мм.
