Способ получения порошка титана методом электроэрозионного диспергирования

Авторы патента:

Новиков Евгений Петрович (RU)

Агеев Евгений Викторович (RU)

Агеева Екатерина Владимировна (RU)

C22B34/12 - получение титана

B23H1/00 - Электроэрозионная обработка, т.е. удаление металла серией быстропротекающих электрических разрядов между электродом и заготовкой в среде текучего диэлектрика

B22F9/14 - с применением электрического заряда

Владельцы патента RU 2631549:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) (RU)

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению порошка титана, и может быть использовано в авиа- и ракетостроении, в кораблестроении. В способе получения порошка титана электроэрозионному диспергированию подвергают отходы титана в дистиллированной воде при частоте следования импульсов 250 Гц, напряжении на электродах 150 В и емкости разрядных конденсаторов 65 мкФ. Изобретение обеспечивает получение порошка титана с частицами правильной сферической формы, средний размер которых составляет 33,12 мкм, при невысоких энергетических затратах, экологической чистоте процесса и снижении пожаровзрывоопасности. 6 ил., 3 пр.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к составам и способам получения порошкового титанового сплава, и может быть использовано в авиа- и ракетостроении, в кораблестроении. Титан может использоваться в химической, военной, автомобильной, сельскохозяйственной и пищевой промышленности.

Известен способ получения порошков титана методом гидрирования-дегидрирования [Гармата В.А. и др. Титан. - М.: Металлургия. 1983, с. 489-490.]. Метод основан на высокой хрупкости титана, насыщенного водородом. Исходный титан в виде кусков или стружки насыщают водородом до содержания от 420 до 445 см³ Н₂ на 1 г титана, соответствующего формулам TiH_1,8-TiH_1,9. Полученный гидрид измельчают до требуемого гранулометрического состава. Водород из порошка удаляют термическим дегидрированием в вакууме. Операцию проводят при температуре от 700 до 800°С. По ходу дегидрирования частицы титана спекаются. Для получения конечного продукта спекания, который разрушают механическим измельчением. Гранулометрический состав готового порошка контролируют просевом через сита с заданным размером ячеек.

По приведенному способу освоено производство дисперсного порошка титана фракций (-0,10+0,04) мм [1].

При получении по данному способу порошка титана с остаточным содержанием водорода менее 5 см Н₂ на 1 г титана (массовой долей водорода менее 0,045%) продолжительное воздействие высоких температур на стадии дегидрирования приводит к чрезмерному укрупнению частиц металла. В результате выход порошка с размерами частиц менее 0,04 мм оказывается неудовлетворительным.

Другим недостатком представленного способа получения порошка титана является повышенная пожаровзрывоопасность процесса дегидрирования, связанная с использованием в качестве промежуточного продукта гидрида титана с составом, близким к TiH₂, что обусловлено высоким значением равновесного давления водорода в интервале температур от 450 до 750°С над гидридами состава TiH_1,80-TiH_1,99.

Себестоимость порошка получается высокой, потому что приходится использовать термическое дегидрирование в вакууме.

Существенным отличием предложенного способа является то, что не нужно использовать водород, высокие температуры и применять метод термического дегидрирования в вакууме, это делает процесс более дешевым и вероятность возникновения пожара практически равна нулю.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи получения порошков титана из отходов с низкой себестоимостью, снижение пожаровзрывоопасности, а также возможность получения порошка с размерами частиц менее 0,04 мм.

Поставленная задача достигается способом получения порошка титана из отходов, отличающимся от прототипа тем, что отходы титана (стружка марки ВТ6) подвергают электроэрозионному диспергированию в дистиллированной воде при частоте следования импульсов 250 Гц; напряжении на электродах 150 В и емкости конденсаторов 65 мкФ.

На фигуре 1 описаны этапы получения порошка титана; на фигуре 2 - схема процесса ЭЭД, на фигуре 3 - распределение по размерам микрочастиц порошка титана, на фигуре 4 - результаты исследования распределения по размерам частиц, на фигуре 5 - фазовый состав порошка титана, на фигурах 6 (А,Б) - микрофотографии частиц порошка титана.

Процесс ЭЭД представляет собой разрушение токопроводящего материала в результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами [Немилов Е.Ф. Электроэрозионная обработка материалов. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1983. - 160 с.]. Получение порошка титана на экспериментальной установке для получения нанодисперсных порошков из токопроводящих материалов [Патент RU на изобретение №2449859] проводилось по схеме, представленной на фигуре 1 в четыре этапа:

- 1 этап - подготовка к процессу электроэрозионного диспергирования;

- 2 этап - процесс электроэрозионного диспергирования;

- 3 этап - выгрузка порошка из реактора.

- 4 этап - сушка и взвешивание порошка титана.

Получаемые этим способом порошковые материалы имеют в основном сферическую и эллиптическую форму частиц. Причем, изменяя электрические параметры процесса диспергирования (напряжение на электродах, емкость конденсаторов и частоту следования импульсов), можно управлять шириной и смещением интервала размера частиц, а также производительностью процесса.

На первом этапе производили сортировку титановых отходов, их промывку, сушку, обезжиривание и взвешивание. Реактор заполняли рабочей средой - дистиллированной водой, отходы (стружку) загружали в реактор. Монтировали электроды. Смонтированные электроды подключали к генератору. Устанавливали необходимые параметры процесса: частоту следования импульсов, напряжение на электродах, емкость конденсаторов.

На втором этапе - этапе электроэрозионного диспергирования - включали установку. Процесс ЭЭД представлен на фигуре 2. Импульсное напряжение генератора 2 прикладывается к электродам 5 и далее к титановым отходам 8 (в качестве электродов также служат титановые отходы). При достижении напряжения определенной величины происходит электрический пробой рабочей среды 10, находящийся в межэлектродном пространстве, с образованием канала разряда. Благодаря высокой концентрации тепловой энергии, материал в точке разряда плавится и испаряется, рабочая среда испаряется и окружает канал разряда газообразными продуктами распада (газовым пузырем 9). В результате развивающихся в канале разряда и газовом пузыре значительных динамических сил капли расплавленного материала выбрасываются за пределы зоны разряда в рабочую среду, окружающую электроды, и застывают в ней, образуя каплеобразные частицы порошка титана 7.

На третьем этапе проводится выгрузка рабочей жидкости с порошком из реактора.

На четвертом этапе происходит выпаривание раствора, сушка порошка, взвешивание, фасовка, упаковка и последующий анализ порошка.

При этом достигается следующий технический результат: получение порошков титана с частицами правильной сферической формы (средний размер частиц составляет 33.12 мкм) с невысокими энергетическими затратами и экологической чистотой процесса способом электроэрозионного диспергирования (ЭЭД). При этом значительно уменьшается возможность возникновения пожара во время проведения эксперимента.

Способ позволяет получить титановые порошки без использования химических реагентов, что существенно влияет на себестоимость порошка и позволяет избежать загрязнения рабочей жидкости и окружающей среды химическими веществами.

Средние удельные затраты электроэнергии при производстве титанового электроэрозионного порошка составляют 2,3 кг/кВт⋅ч, что ниже других способов получения титановых порошков. Электроэрозионное диспергирование позволяет эффективно утилизировать отходы титана с невысокими энергетическими затратами и экологической частотой процесса и получать порошок титана.

Порошковые материалы, получаемые ЭЭД титановых отходов, могут эффективно использоваться при изготовлении и восстановлении деталей машин различными способами. В промышленности применяется антикоррозионное покрытие на основе титановых порошков. В этом покрытии титановый порошок, состоящий из кристаллов с сильно развитой поверхностью, которые обладают высокой коррозионной стойкостью, применен как наполнитель, а вяжущее вещество - эпоксидная смола. Новое антикоррозионное покрытие по сравнению с известными имеет следующие преимущества: высокую коррозионную стойкость, химическую устойчивость, высокую адгезию к металлу, что обеспечивает отличную сцепляемость с защищаемой поверхностью, механическую прочность, долговечность, определяемую противодействием титанового порошка старению эпоксидной смолы.

Пример 1

Для получения порошка титана на экспериментальной установке методом электроэрозионного диспергирования в дистиллированной воде использовали отходы титанового сплава (стружка марки ВТ6). Стружку загружали в реактор, заполненный рабочей жидкостью - дистиллированной водой. При этом использовали следующие электрические параметры установки:

- частота следования импульсов 250 Гц;

- напряжение на электродах 150 В;

- емкость конденсаторов 65 мкФ.

Полученный порошок титана исследовали различными методами. Гранулометрический состав порошка титана, полученного методом электроэрозионного диспергирования в дистиллированной воде, был исследован на лазерном анализаторе размеров частиц «Analysette 22 NanoTec» (Фигура 3, 4). Диапазон измерений «Analysette 22 NanoTec» составляет от 0.01 до 2000 мкм.

Экспериментально установлено, что порошки, полученные из отходов титанового сплава при напряжении 150 В, емкости разрядных конденсаторов 65 мкФ и частоте следования импульсов 250 Гц, имеют размер частиц от 0,4 до 106 мкм. Средний размер частиц составляет 33,12 мкм, арифметическое значение - 33.121 мкм, удельная площадь поверхности - 10151,91 см²/см³. Также установлено, что коэффициент элонгации (удлинения) частиц размером 31,372 мкм составляет 2,59. Из таблицы 1 видно, что значимую часть порошка титана (33,36%) занимают частицы, размер которых находится в интервале от 20,000 до 50,000 мкм. В таблице 2 показано, что максимальный размер частиц титанового порошка, полученного электроэрозионным диспергированием в дистиллированной воде, не превышает 105.198 мкм, также показано, что 50% частиц имеют размер менее 31.272 мкм и 5% частиц имеют размер менее 1.116 мкм.

Рентгеноструктурный анализ полученного порошка проводили на рентгеновском дифрактометре Rigaku Ultima IV, результаты которого показаны на Фигуре 5. На основании проведенных экспериментальных исследований, направленных на исследование рентгеноструктурного состава порошка титана, полученного электроэрозионным диспергированием отходов титана в дистиллированной воде, при следующих электрических параметрах: емкость разрядных конденсаторов 65 мкФ, напряжение 150 В, частота импульсов 250 Гц установлено, что основными фазами являются TiO и Ti₂O.

С целью изучения формы и морфологии частиц порошка титана, полученного методом электроэрозионного диспергирования отходов, были сделаны снимки на растровом (сканирующем) электронном микроскопе «QUANTA 600 FEG». На основании фигуры 6А и Б порошок, полученный методом ЭЭД из титановых отходов, в основном, состоит из частиц правильной сферической формы (или эллиптической), с включениями частиц неправильной формы (конгломератов).

Пример 2

- частота следования импульсов 50 Гц;

- напряжение на электродах 60 В;

- емкость конденсаторов 55 мкФ.

При данных режимах получается процесс электроэрозионного диспергирования идет медленнее, в результате чего производительность установки уменьшается в 2-3 раза.

Пример 3

- частота следования импульсов 350 Гц;

- напряжение на электродах 200 В;

- емкость конденсаторов 65 мкФ.

При данных режимах процесс диспергирования нестабилен и носит взрывной характер.

Способ получения порошка титана электроэрозионным диспергированием, отличающийся тем, что электроэрозионному диспергированию подвергают отходы титана в дистиллированной воде при частоте следования импульсов 250 Гц, напряжении на электродах 150 В и емкости разрядных конденсаторов 65 мкФ.

Изобретение относится к способу переработки ванадиево-титано-магнетитовых концентратов. Способ включает смешивание концентрата с раствором HCl с получением выщелоченного остатка.

Способ получения порошка титана // 2628228

Изобретение относится к получению порошка титана. Способ включает загрузку губчатого титана в реторту, вакуумирование и нагрев его в вакууме, подачу водорода в реторту с обеспечением гидрирования губчатого титана при одновременном охлаждении реторты, извлечение гидрированного губчатого титана из реторты, его измельчение и рассев на фракции, загрузку измельченного гидрированного порошка титана в реторту, его дегидрирование, охлаждение реторты и извлечение порошка титана.

Способ переработки титансодержащего минерального сырья // 2623974

Изобретение относится к переработке титансодержащего минерального сырья, преимущественно россыпных титановых руд, включающих лейкоксенизированные формы ильменита, и может быть использовано для получения диоксида титана пигментного качества.

Способ переработки лейкоксенового концентрата // 2623564

Изобретение относится к переработке титановых концентратов с высоким содержанием кремния, например лейкоксеновых концентратов. Cпособ переработки лейкоксеновых концентратов включает плавление концентрата совместно с содой.

Установка для получения порошка из титановой губки и способ его получения // 2622501

Группа изобретений относится к получению порошка из губчатого титана. Установка снабжена герметичной системой, состоящей из дозирующего устройства, роторной дробилки с патрубком для загрузки губчатого титана, патрубком для выгрузки порошка, патрубком для подачи аргона и патрубком для вывода пылевой смеси, циклона, соединенного с дробилкой и выполненного в виде бункера с верхним, боковым и нижним патрубками, и емкости для сбора порошка.

Титансодержащая шихта для получения тетрахлорида титана и способ ее приготовления // 2619427

Группа изобретений относится к металлургии титана. Титансодержащая шихта для получения тетрахлорида титана содержит титановый шлак, углеродсодержащий материал, хлорид натрия, измельченную формованную смесь из угольных отходов, полученных с фильтров по очистке газов при сушке и транспортировке углеродсодержащего материала, пылевых отходов, полученных с фильтров тонкой очистки газов производства титанового шлака, и связующего.

Способ приготовления шихты для выплавки титановых шлаков в рудно-термической печи // 2612332

Изобретение относится к металлургии, а именно к получению металлического титана из титановых шлаков, в частности к подготовке шихты для выплавки титановых шлаков в рудно-термической печи.

Способ получения мелкодисперсного порошка титана // 2609762

Изобретение относится к мелкодисперсному получению порошка титана. Способ включает активирование исходного материала, гидрирование, измельчение полученного гидрида титана, термическое разложение гидрида титана в вакууме и измельчение образовавшегося титанового спека.

Способ переработки ванадийсодержащего железотитанового концентрата // 2606813

Изобретение относится к способу переработки ванадийсодержащего железотитанооксидного концентрата. Формируют шихту из концентрата и хлорида натрия.

Способ получения губчатого титана // 2599071

Изобретение относится к магниетермическому получению губчатого титана. Способ включает заливку магния в реторту, подачу тетрахлорида титана и проведение процесса восстановления тетрахлорида титана магнием при подаче тетрахлорида титана в количестве, меньшем его теоретического количества в 1,0-1,25 раза.

Способ формирования износостойкого слоя на поверхности детали из титана или титанового сплава // 2621750

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам нанесения покрытий методами электроискрового легирования. Способ формирования износостойкого слоя на поверхности деталей из титана или сплавов на его основе включает проведение процесса методом электроискрового легирования на различных режимах, при этом на обрабатываемую поверхность упрочняемой детали предварительно наносят слой материала на основе углерода, который для адгезии к поверхности детали наносят в виде краски или пасты толщиной не менее 0,01 мм.

Способ электроэрозионного легирования поверхности стальной детали и его применение для оребрения трубы теплообменника // 2615096

Изобретение относится к области электрофизической и электрохимической обработки, в частности к электроэрозионному легированию. Способ оребрения наружной поверхности стальной трубы теплообменного аппарата включает формирование на трубе поверхностных слоев путем электроэрозионного легирования поверхности стальной трубы электродом из меди, бронзы, стали или графита, при котором задают шероховатость легированной поверхности от 1 до 200 мкм изменением энергии разряда в диапазоне Wp = 0,01-6,8 Дж.

Способ электроискрового легирования закаленных стальных деталей // 2614913

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к электрофизическим методам обработки закаленных стальных деталей электроискровым легированием. В способе электроискрового легирования закаленных стальных деталей осуществляют перенос легирующего материала электрода-инструмента на поверхность детали под действием импульсных электроискровых разрядов между подключенными к источнику постоянного электрического тока в качестве анода электродом-инструментом, а в качестве катода деталью.

Способ обработки вкладышей подшипников скольжения // 2598737

Изобретение относится к области электрофизической и электрохимической обработки, в частности к электроэрозионному легированию вкладышей подшипников скольжения.

Способ обработки сопрягаемых поверхностей запорного устройства и устройство для его осуществления // 2546936

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении запорных устройств, например, для нефтегазовых магистралей. Способ обработки сопрягаемых поверхностей запорного устройства, выполненного в виде расположенного между щеками шибера, включает обработку шибера в рабочем положении низковольтными импульсами переменного тока в воздушной среде с возвратно-поступательным перемещением шибера относительно щек и вибрацией щек относительно шибера, при этом наибольшие амплитуды импульсов переменного тока совмещают с периодом сближения упомянутых сопрягаемых поверхностей и обработку ведут до достижения стабильной величины тока.

Способ электроискрового нанесения покрытия // 2538849

Изобретение относится к машиностроению, а именно к нанесению покрытий. Способ электроискрового нанесения покрытия на деталь включает контактную обработку поверхности детали, подключенной к отрицательному полюсу источника тока, вращающимся электродом, подключенным к положительному полюсу источника тока.

Устройство для электроэрозионного объемного копирования (варианты) // 2535436

Изобретение относится к электроэрозионной обработке. Устройство 100 для электроэрозионного объемного копирования содержит бак 110 для размещения текучей среды 112 и электроды 104, 106, устанавливаемые в баке 110 и имеющие формы 120, задающие формы участкам 122, 162 заготовки 102.

Способ улучшения прирабатываемости пары трения "вкладыш подшипника - шейка вала" // 2528070

Изобретение относится к области электрофизической и электрохимической обработки, в частности к электроэрозионному легированию, и может быть использовано для обработки подшипниковых шеек валов, контактирующих с вкладышами подшипников скольжения.

Способ электроэрозионного легирования поверхностей стальных деталей // 2524471

Изобретение относится к области электрофизической и электрохимической обработки, в частности к электроэрозионному легированию поверхностей стальных деталей. В способе сначала на поверхность стальных деталей наносят слой антифрикционного покрытия из меди на режимах, при которых ток короткого замыкания Jкз=0,5-0,6 A, напряжение холостого хода Uхх=56,1 В, емкость накопительного конденсатора С=20 мкФ, а затем слой покрытия из износостойкого высокотвердого металла или его карбида, выбираемого из группы Ti, V, W, на режимах, при которых ток короткого замыкания Jкз=2,0-2,2 А, напряжение холостого хода Uхх=68,7 В, емкость накопительного конденсатора С=300 мкФ.

Способ восстановления изношенных поверхностей металлических деталей // 2524470

Изобретение относится к области электрофизической и электрохимической обработки, в частности к электроэрозионному легированию, и может быть использовано для ремонта деталей машин.

Способ получения мелкодисперсной шихты серебро-оксид меди // 2618700

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано при изготовлении электроконтактов на основе серебра. Описан способ получения мелкодисперсной шихты серебро-оксид меди(II), включающий химическое осаждение карбонатов серебра и меди из раствора, содержащего нитраты серебра и меди, фильтрацию, промывку, сушку и термическое разложение осадка, в котором в раствор нитратов, в котором отношение серебра и оксида меди в шихте составляет 90 и 10 масс.