Спосіб отримання ультрадисперсного металевого порошку

Корисна модель належить до області отримання високодисперсних порошків металів і їх сплавів, зокрема до методів отримання нанопорошків шляхом електричного вибуху і електроерозії, які можуть бути використані 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 нагрівання і диспергування металу електричним струмом. Так, наприклад, відомий спосіб отримання ультрадисперсного металевого порошку 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 розкриття між собою 45...120°. [Патент RU №2001719. Фоминский Л.П. Устройство для электроэрозионного диспергирования металлов в насыпном слое. МІЖ В 22 F 9/14. Оп убл. 30.10.1993. Бюл. №39-40]. Недоліками цього способу отримання ультрадисперсного металевого порошку с широкий розподіл отримуваних частинок за розмірами і велика частка частинок крупного розміру. Відомий також спосіб отримання ультрадисперсного металевого порошку шляхом електричного вибуху металевого дроту в газових середовищах [Патент США №3634040, кл. С 23С 13/12, опублик. 1970]. Недоліком цього способу диспергування є низька продуктивність і недостатньо висока дисперсність отримуваних порошків, що звужує область застосування отримуваних порошків. Відомий спосіб отримання ультрадисперсного металевого порошку, зокрема, титану, нікелю, ніобію, вольфраму, молібдену, танталу, заліза шляхом вибуху металевих заготовок під впливом імпульсу стр уму в газовому середовищі аргона 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 його низька продуктивність і великий розкид частинок за розмірами (від 0,01 до 1мкм і більш), обумовлений тим, що тривалість імпульсів струму вибрана більше 100мкс, що приводило до руйнування провідника в режимі розбризкування розплавленого металу. Найбільш близьким до пропонованого є спосіб отримання ультрадисперсного металевого порошку шляхом електричного вибуху заготівки при пропусканні через неї електричного струму при щільності струму, достатній для запобігання неоднорідному нагріванню заготівки [Патент RU №2115515. Седой B.C. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ НЕОРГ АНИЧЕСКИХ 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 поставлена задача підвищення продуктивності способу. Поставлена задача вирішується тим, що вибухи ділянок поверхні гранул здійснюють дією таких електричних імпульсів, в яких енергія переднього фронту імпульсу перевищує енергію сублімації витаровуваного металу, а тривалість переднього фронту імпульсів не перевищує 40мкс. Запропонований, як і відомий спосіб отримання ультрадисперсного металевого порошку ерозійно-вибуховим методом здійснюють шляхом пропускання робочих імпульсів електричного струму через ерозійні проміжки і металеві гранули, що знаходяться в рідкому діелектричному середовищі в реакторі, що містить електроди, а, відповідно до цієї пропозиції, вибухи ділянок поверхні гранул здійснюють дією таких електричних імпульсів, в яких енергія переднього фронту робочих імпульсів перевищує енергію сублімації випаровуваного металу, а тривалість переднього фронту імпульсів не перевищує 40мкс, при цьому тривалість переднього фронту робочих імпульсів перевищує тривалість заднього фронту імпульсу в 2...5 разів, переважно приблизно в 5 разів. Використання для отримання порошку імпульсів струму, в яких енергія переднього фронту імпульсів перевищує енергію сублімації випаровуваного металу, дозволяє забезпечити високу швидкість наростання імпульсів струму і здійснювати вибухи ділянок поверхні гранул безпосередньо в період дії наростаючого фронту імпульсів, що збільшує динаміку процесу диспергування і приводить до зростання продуктивності і підвищення дисперсності порошку. Встановлення тривалості переднього фронту імпульсів не більше 40мкс збільшує динаміку процесу диспергування і приводить до підвищення дисперсності порошку. Встановлення тривалості переднього фронту імпульсу більше тривалості заднього фронту імпульсу в 2...5 разів, переважно приблизно в 5 разів, не допускає переходу процесу електроерозії металевих гранул в режим розбризкування розплавленого металу. Авторами експериментально встановлена тривалість переднього фронту імпульсів не більше 40мкс. При тривалості переднього фронту імпульсів не більше 40мкс процес диспергування носить вибуховий характер. При тривалості переднього фронту імпульсів більше 40мкс процес диспергування носить переважно ерозійний характер і має низьку продуктивність. Авторами експериментально встановлено перевищення тривалості переднього фронту імпульсів над тривалістю заднього фронту імпульсів в 2...5 разів, переважно приблизно в 5 разів. При значенні співвідношення тривалості переднього і заднього фронтів імпульсів струму менше 2 ефективність диспергування зменшується за рахунок того, що процес електроерозії металевих гранул переходить в режим розбризкування розплавленого металу. Оптимальне співвідношення тривалості переднього і заднього фронтів імпульсів є приблизно 5. Збільшення співвідношення тривалості фронтів більше 5 недоцільно, оскільки це вимагає складних схемних рішень, що реалізовують швидкий обрив великих стр умів. Спосіб отримання ультрадисперсного металевого порошку 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, вольфрам-нікель, вольфрам-нікель- залізо тощо. Для всі х металів і сплавів диспергування здійснюють в діелектричній рідині з великим питомим опором. Під час надходження на електроди електричних імпульсів з тривалістю фронту не більше 40мкс і з енергією переднього фронту імпульсу, що перевищує енергію сублімації випаровуваного металу, в точках контакту металевих гранул одна з одною і з електродами виникають іскрові розряди, в яких здійснюється вибухоподібне диспергування металу. Ділянки поверхні металевих гранул в зонах іскрових розрядів плавляться і вибухоподібно руйнуються на найдрібніші частинки і пару. Продукти руйнування розлітаються з швидкостями, що перевищують 1км/с, і дуже швидко охолоджуються в рідині. В результаті в рідині накопичується високодисперсний металевий порошок. На кресленні представлена схема пристрою для здійснення пропонованого способу. Пристрій для реалізації пропонованого способу містить реактор 1 з патрубками 2 і 3 для прокачування робочої рідини та електродами 4 і 5, які з’єднані з виходами керованого формувача пилкоподібних імпульсів 6, що містить блок регулювання фронту імпульсів 8, вхід якого є регулюючим входом, керований генератор імпульсів 7, який виходами з’єднаний з входами керованого формувача пилкоподібних імпульсів струму 6 і містить блок регулювання потужності імпульсів 9, вхід якого є регулюючим входом. Спосіб здійснюють таким чином. В реактор 1, що виготовлений з діелектричного матеріалу і має електроди 4 і 5, завантажують металеві гранули 10, що підлягають диспергуванню, які розміщують рівномірним шаром на дні реактора 1. Електроерозійне диспергування гранул 10 здійснюють електричними імпульсами, які формують за допомогою керованого формувача пилкоподібних імпульсів 6, на який надходять імпульси від генератора імпульсів 7. Потужність імпульсів регулюється за допомогою блоку 9. Пилкоподібні імпульси струму, в яких енергія переднього фронту імпульсу перевищує енергію сублімації випаровуваного металу, а тривалість переднього фронту імпульсів не перевищує 40мкс, викликають електричні розряди в провідних ланцюжках, утворених металевими гранулами 10. За допомогою блоку 8 забезпечують регулювання тривалості фронту імпульсів і тривалості спаду імпульсів. Оскільки переважна частка енергії імпульсу надходить в ерозійні проміжки на передньому фронті імпульсів струму за дуже короткий проміжок часу, не більше 40мкс, це забезпечує переважно вибуховий характер диспергування металів і високу дисперсність отримуваного порошку. Через патрубок 2 в реактор 1 подають воду, яка виносить із зони диспергування через патрубок 3 металевий порошок, що утворився, і одночасно охолоджує реактор.