Спосіб ерозійно-вибухового диспергування металів

Корисна модель належить до області отримання високодисперсних порошків металів і їх сплавів, зокрема до методів отримання нанопорошків шляхом електричного вибуху і електроерозії, що використовуються як активатори спікання композиційних матеріалів, модифікатори литва, для виготовлення низькотемпературних високоміцних припоїв, магнітних матеріалів, каталізаторів, сорбентів, фарбників, присадок до мастил та інших цінних продуктів. Відомі різноманітні способи диспергування металів для отримання високодисперсних порошків. В багатьох з них використовується нагрів і диспергування металу електричним струмом. Так, наприклад, відомий спосіб електроерозійного диспергування металів шляхом дії імпульсами електричного струму на металеві гранули в псевдозрідженому шарі в реакторі, через який прокачують робочу рідину і який містить електроди у вигляді площин, що розходяться вгору з кутом розчину між собою 45...120°. [Патент RU №2001719. Фоминский Л.П. Устройство для электроэрозионного диспергирования металлов в насыпном слое. МПК В22F9/14. Опубл. 30.10.1993. Бюл. №39-40]. Недоліками цього способу диспергування є те, що отримуваний порошок має широкий розподіл частинок за розмірами і велику частку частинок крупного розміру. Відомий також спосіб диспергування металів шляхом електричного вибуху металевого дротика в газових середовищах [Патент США №3634040, кл. С23С13/12, опублик. 1970]. Недоліком цього способу диспергування є низька продуктивність і недостатньо висока дисперсність отримуваних порошків, що звужує область застосування отримуваних порошків. Відомий також спосіб диспергування металів в генераторі аерозолів шляхом електричного вибуху металевого дротика. Через дротик пропускають імпульс струму великої потужності. При цьому здійснюється нагрівання дротика до декількох тисяч градусів, його часткове випаровування і взаємодія з навколишнім середовищем [наприклад, F.G. Karioris, В.R. "An Exploding Wire Aerosol Generator", J, Colloid Sci, 1962, 17, p.156-161]. Недоліком цього способу є низька продуктивність і великий розкид отримуваних частинок за розмірами. Відомий спосіб отримання нітридів металів при вибуху металевих дротиків в рідкому азоті, в атмосфері азоту, аміаку, суміші азоту з воднем, [наприклад, М. Дж. Джонкич и др. Синтез нитридов металлов методом взрывающейся проволочки, Canadian Journal of chemistry, 1966, т.44, 2, с.137-142]. Недоліком цього способу є низька продуктивність. Відомий спосіб диспергування металів, зокрема титану, нікелю, ніобію, вольфраму, молібдену, танталу, заліза шляхом вибуху металевих заготовок під впливом імпульсу електричного струму в газовому середовищі аргону і гелію під тиском 1...100атм. [Вопросы атомной науки и техники. Серия: Атомное материаловедение. Вып.1, М, 1978, с.21-242]. Недоліками цього способу є низька продуктивність способу і великий розкид отримуваних частинок за розмірами (від 0,01 до 1мкм і більш), обумовлений тим, що тривалість імпульсів електричного струму була більше 100мкс, що, в свою чергу, приводило до руйнування провідника в режимі розбризкування розплавленого металу. Найбільш близьким до пропонованого є спосіб диспергування металів шляхом електричного вибуху заготівки при пропусканні через неї електричного струму при щільності струму, достатній для запобігання неоднорідному нагріву заготівки [Патент RU №2115515. Седой B.C. Способ получения высокодисперсных порошков неорганических веществ. МПК 6 B22F9/14. Опубл. 20.07.1998]. Основними недоліками цього способу є низька продуктивність, обумовлена наявністю трудомісткого підготовчого періоду, пов'язаного з складною технологією подачі дроту, а також обмеження на частоту вибухів ізза механічних операцій необхідних для подачі заготовок в зону реактора. В основу корисної моделі поставлено задача підвищення продуктивності способу. Поставлена задача вирішується диспергуванням металевих гранул в рідині шляхом вибухів не всієї заготівки, а невеликих ділянок на поверхні гранул в точках випадкових контактів гранул і в зонах ерозійних проміжків, що хаотично і з великою частотою виникають в шарі металевих гранул. Запропонований, як і відомий спосіб ерозійно-вибухового диспергування металів, заснований на пропусканні імпульсного електричного струму через ерозійні проміжки і металеві гранули, що знаходяться в діелектричній рідині в реакторі, що містить електроди, а, відповідно до цієї пропозиції, здійснюють електричні вибухи ділянок поверхні металевих гранул в зонах ерозійних проміжків і в зонах, прилеглих до ерозійних проміжків і до точок контактів металевих гранул, імпульсами струму з енергією імпульсів, що вводиться в ерозійні проміжки, яка перевищує енергію сублімації випаровуваного металу при тривалості імпульсів струму не більше 100мкс, при цьому переважну частку енергії імпульсу вводять в ерозійні проміжки на передньому фронті імпульсів струму, а енергія, що вводиться в ерозійні проміжки, перевищує енергію сублімації випаровуваного металу в 1,5...2,5 разу, переважно приблизно в 2 рази. Оскільки в пропонованому способі піддають вибуху ділянки поверхні металевих гранул в зонах ерозійних проміжків і в зонах, прилеглих до ерозійних проміжків і до точок контактів металевих гранул, то до вибухів схильні невеликі ділянки на поверхні гранул одночасно в безлічі точок випадкових контактів гранул і в зонах ерозійних проміжків, які хаотично виникають в шарі металевих гранул, що різко підвищує щільність енергії, що вводиться в зони вибухів, і збільшує частоту вибухів за рахунок виключення необхідності проведення передвибухових підготовчих операцій, внаслідок чого реалізується високопродуктивний спосіб диспергування. Здійснення вибухів імпульсами струму з енергією імпульсів, що вводиться в ерозійні проміжки, яка перевищує енергію сублімації випаровуваного металу, також дозволяє підвищити продуктивність диспергування. Авторами експериментально встановлена тривалість імпульсів. Тривалість імпульсів струму вибрана не більше 100мкс, щоб прискорити динаміку процесу електроерозії, зробити цей процес вибуховим і не допускати переходу процесу електроерозії металевих гранул в режим розбризкування розплавленого металу. При часі дії не більше 100мкс рідина не встигає розігріватися, і охолоджування частинок в рідині відбувається з великою швидкістю, що сприяє утворенню частинок з високоякісними характеристиками. Введення переважної частки енергії імпульсу в ерозійні проміжки на передньому фронті імпульсів струму забезпечує переважно вибуховий характер електроерозії металів і високу дисперсність отримуваного порошку. Виконання умови, при якій енергія, що вводиться в ерозійні проміжки, перевищує енергію сублімації випаровуваного металу в 1,5...2,5 разу, переважно приблизно в 2 рази, дозволяє отримати високодисперсний порошок при високій інтенсивності диспергування. Авторами експериментально встановлено оптимальне співвідношення енергії імпульсів струму і енергії сублімації випаровуваного металу. При значенні співвідношення енергії імпульсів струму і енергії сублімації випаровуваного металу менше 1,5 ефективність диспергування металевих гранул низька. Це пов'язано з тим, що при малій швидкості наростання струму електричних імпульсів енергія імпульсу недостатня для ефективного диспергування металевих гранул. При значенні співвідношення енергії імпульсів струму і енергії сублімації випаровуваного металу більше 1,5 процес диспергування носить переважно вибуховий характер, що значно підвищує продуктивність диспергування і збільшує ступінь дисперсності порошку. Збільшення співвідношення енергії імпульсів струму і енергії сублімації випаровуваного металу більше 2,5 недоцільно, оскільки це вимагає ускладнення генератора електричних імпульсів і приводить до його дорожчання. Оптимальним є таке співвідношення, коли енергія, що вводиться в ерозійні проміжки, перевищує енергію сублімації випаровуваного металу приблизно в 2 рази. Спосіб ерозійно-вибухового диспергування металів здійснюють таким чином. Металеві гранули, що підлягають диспергуванню, поміщають на дно реактора між електродами. При цьому як металеві гранули використовують метали або сплави. Метали вибирають з ряду: алюміній, олово, мідь, срібло, нікель, залізо, вольфрам, молібден, кобальт тощо. Сплави вибирають з ряду: латунь, нікель-хром, залізо-нікель, вольфрамнікель, вольфрам-нікель-залізо тощо. Для всіх металів і сплавів вибухи здійснюють в діелектричній рідині з великим питомим опором електричному струму. Під час надходження на електроди електричних імпульсів з енергією, що вводиться в ерозійні проміжки, яка перевищує енергію сублімації випаровуваного металу приблизно в 2 рази, в точках контакту металевих гранул один з одним і з електродами виникають іскрові розряди, в яких відбувається диспергування металу. Ділянки поверхні металевих гранул в зонах ерозійних проміжків і прилеглих до ерозійних проміжків і до точок контактів плавляться і вибухоподібно руйнуються на найдрібніші частинки і пару. Продукти руйнування розлітаються з швидкостями, що перевищують 1км/с, і дуже швидко охолоджуються в рідині. Тривалість імпульсів струму встановлюють не більше 100мкс, внаслідок чого рідина не встигає розігріватися, і охолоджування частинок в рідині відбувається з великою швидкістю. Оскільки процес утворення частинок протікає вибухоподібно, то частина матеріалу опиняється в аморфному стані. В результаті формуються частинки з складною структурою, що володіють цілим рядом позитивних властивостей. Такий порошок характеризується високою дисперсністю, однорідністю і щільністю, володіє більш низькою температурою спікання і високою хімічною активністю в різних гетерогенних процесах. Приклад. Гранули карбіду вольфраму, що завантажували в реактор для ерозійно-вибухового диспергування, під дією сили тяжіння рівномірно розміщувалися на дні реактора між електродами. Енергія сублімації вольфраму Есуб.=88,7Дж/мм3. На електроди подавали імпульси електричного струму тривалістю 40мкс з енергією 20Дж, що перевищує енергію сублімації випаровуваного металу приблизно в 2 рази. У реакторі здійснювалися електричні розряди по ланцюжках металевих гранул, що контактують між собою і з електродами. Процес носив явно виражений вибуховий характер, що виявлялося у великій інтенсивності звукових хвиль і великій кавітації в рідині. При цьому здійснювалось диспергування гранул карбіду вольфраму, а зважений у воді порошок темно-сірого кольору виносився потоком рідини з реактора. Порошок карбіду вольфраму мав частинки сферичної форми однорідного гранулометричного складу.