Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения кобальто-хромовых порошков электроэрозионным диспергированием

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к производству металлических наноразмерных порошков. В промышленности для получения металлических порошков применяют физические и физико-химические методы.

Известен способ получения дисперсного металлического порошка кобальта [патент РФ №2030972, B22F 9/22, опубл. 20.03.1995 г.], заключающийся в том, что сначала готовят раствор щелочи, затем в него порциями вводят раствор соли кобальта при комнатной температуре при перемешивании. Полученный гидроксид металла подвергают фильтрации и промыванию, в процессе которых осуществляют его измельчение. Затем полученный продукт после сушки на воздухе восстанавливают до металла, с помощью пропускаемого через него водорода, при нагревании до температуры выше порога восстановления гидроксида металла.

К недостаткам способа можно отнести расход большого количества воды. Кроме того, рекомендуемые температурно-временные параметры восстановления гидроксида металла при температуре выше порога восстановления не позволяют получать ультрадисперсный порошок, так как незначительное повышение температуры выше порога температуры восстановления приводит к одновременному интенсивному протеканию процесса спекания образовавшихся энергонасыщенных ультрадисперсных частиц металла.

Известен способ получения порошка металла подгруппы хрома, преимущественно молибдена и вольфрама (см. Гостищев В.В. Получение порошков молибдена и вольфрама восстановлением их соединений магнием в расплаве хлорида натрия / Гостищев В.В., Бойко В.Ф. // Химическая технология. - 2006. - №8. - С. 15-17), включающий загрузку в реактор хлорида натрия, нагрев реактора до температуры 827°С с образованием хлоридного расплава, растворение в нем вольфрамата или молибдата натрия, предварительно полученных сплавлением с содой оксидов WO₃ или MoO₃. Затем в качестве восстановителя в реактор добавляют порошок магния с избытком 40% по отношению к его стехиометрическому значению и осуществляют взаимодействие оксидного соединения вольфрама или молибдена с магнием в расплаве хлорида натрия с восстановлением вольфрамата натрия или молибдата натрия до металла. Расплав выдерживают 15-20 минут до полного осаждения образовавшегося порошка. Затем расплав сливают, осажденный порошок отмывают водой от остатка солей до нейтрального состояния и сушат. В результате получают порошки вольфрама или молибдена с удельной поверхностью соответственно 0,06 и 0,11 м²/г.

Данный способ характеризуется недостаточной технологичностью по причине получения порошков с пониженной величиной удельной поверхности. Кроме того, недостатком способа является повышенный расход магния вследствие проведения реакции восстановления при избытке магния по отношению к стехиометрии. Избыточный магний безвозвратно теряется вместе со сливаемым расплавом и при отмывке порошка от остатка солей.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ получения металлического порошка, описанный в патенте РФ 2332280 С2, B22F 9/14, 30.06.2006, в котором порошок получают путем зажигания разряда между двумя электродами, один из которых катод, который выполняют из распыляемого материала в виде стержня, диаметром 10≤d≤40 мм. В качестве другого электрода-анода используют электролит (техническая вода). Процесс получения порошка ведут при следующих параметрах: напряжение между электродами 500≤U≤650 В, ток разряда 1,5≤I≤3 А, расстояние между катодом и электролитом 2≤l≤10 мм. Весь процесс ведут при атмосферном давлении.

Недостатком прототипа является невозможность получения порошков-сплавов с равномерным распределением легирующих элементов, наноразмерных порошков а также высокие энергетические затраты.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи получения порошков из кобальтохромового сплава с низкой себестоимостью, невысокими энергетическими затратами и экологической чистотой процесса.

Поставленная задача достигается способом электроэрозионного диспергирования(ЭЭД). кобальто-хромового сплава ( КХМС)  состоящего из Co (63 %); Сr ( 27 %); Mo (5%). Процесс ЭЭД представляет собой разрушение токопроводящего материала в результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами [3]. В зоне разряда под действием высоких температур происходит нагрев, расплавление и частичное испарение металла.

На фигуре 1 –результаты микроскопии и микроанализа порошков; на фигуре 2 – рентгеноспектральный микроанализ образца, на фигуре 3 – гранулометрический состав образцов.

Пример 1.

На экспериментальной установке для получения нанодисперсных порошков из токопроводящих материалов в бутаноле при массе загрузки 450 г диспергировали сплав КХМС (Co - 63 %; Сr - 27 %; Mo - 5%). При этом использовали следующие электрические параметры установки:

− частота следования импульсов 70...80 Гц;

− напряжение на электродах от 50…60 В;

− ёмкость конденсаторов 28 мкФ.

Данные режимы получения порошка не рекомендуются, т.к. процесс диспергирования идет не стабильно.

Пример 2.

На экспериментальной установке для получения нанодисперсных порошков из токопроводящих материалов в бутаноле при массе загрузки 450 г диспергировали сплав КХМС. При этом использовали следующие электрические параметры установки:

− частота следования импульсов 110...130 Гц;

− напряжение на электродах от 90…110 В;

− ёмкость конденсаторов 48 мкФ.

Полученный кобальто-хромовый порошок исследовали различными методами. Изучение фазового состава электроэрозионного кобальто-хромового порошка проводили помощью энерго-дисперсионного анализатора рентгеновского излучения фирмы EDAX, встроенного в растровый электронный микроскоп Nova NanoSEM 450. В результате изучения концентраций элементного и минералогического состава образца, были получены результаты, представленные на фигуре 2.

Основным материалом в образцах является кобальт – 44,78 %, хром – 30,65%, углерод – 25,37% и кислород – 16,75%.

Затем полученный порошок проанализировали с помощью лазерного анализатора размеров частиц «Analysette 22 NanoTec» для определения распределения полученных частиц порошка по размерам (фигура 3).

Установлено, что средний размер частиц составляет 27,09 мкм, арифметическое значение - 27,088 мкм. Коэффициент элонгации (удлинения) частиц размером составляет 2,16, что говорит о сферической форме частиц порошка.

Для изучения формы и морфологии полученных кобальто-хромовых порошков были выполнены снимки на растровом электронном микроскопе «Nova NanoSEM 450». На основании фигуры 1, порошок, полученный методом ЭЭД из сплава КХМС, в основном состоит из частиц правильной сферической формы (или эллиптической), с включениями частиц неправильной формы (конгломератов) и осколочной формы.

Пример 3.

На экспериментальной установке для получения нанодисперсных порошков из токопроводящих материалов в бутаноле при массе загрузки 450 г диспергировали сплав КХМС. При этом использовали следующие электрические параметры установки:

- частота следования импульсов 180…190 Гц;

- напряжение на электродах от 150…160 В;

- емкость конденсаторов 68 мкФ.

Данные режимы получения порошка не рекомендуются, т.к. процесс диспергирования идет не стабильно.

Источники информации

1. Борд, Н.Ю. Новая технология переработки отходов твердых и тяжелых сплавов // Инструмент. - 1996. №6 - С. 47-49.

2. Заликман, А.Н. Получение твердых сплавов из регенерированных смесей WC-Co, полученных из кусковых отходов цинковым методом // Цветные металлы. - 1993. №1 - С. 10.

3. Немилов, Е.Ф. Электроэрозионная обработка материалов. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1983. - 160 с.