Спосіб отримання карбідів металів перехідної групи

Спосіб отримання карбідів металів перехідної групи шляхом твердофазного синтезу при ударнохвильовій дії на вихідний матеріал, який відрізняється тим, що як вихідний матеріал використовують суспензію порошку перехідного металу або композиції перехідних металів та 5-8% вуглецю в вуглеводневій рідині в співвідношенні твердої і рідкої фаз від 1:3 до 1:30, а твердофазовий синтез карбідів перехідних металів проводять при дії на суспензію високовольтними електричними розрядами напругою ≥50кВ, швидкістю зростання струму ≥6ГА/с та питомою енергією від 1000 до 4000кДж/л. (19) (21) u201011724 (22) 04.10.2010 (24) 26.04.2011 (46) 26.04.2011, Бюл.№ 8, 2011 р. (72) СИЗОНЕНКО ОЛЬГА МИКОЛАЇВНА, ТАФТАЙ ЕДУАРД ІВАНОВИЧ, РАЙЧЕНКО ОЛЕКСАНДР ІВАНОВИЧ, БАГЛЮК ГЕННАДІЙ АНАТОЛІЙОВИЧ, ТОРПАКОВ АНДРІЙ СЕРГІЙОВИЧ, ЛИПЯН ЄВГЕН ВАСИЛЬОВИЧ, ЗАЙЧЕНКО АНДРІЙ ДМИТРОВИЧ (73) ІНСТИТУТ ІМПУЛЬСНИХ ПРОЦЕСІВ І ТЕХНОЛОГІЙ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ 3 Причиною, яка перешкоджає одержанню очікуваного технічного результату, є те, що цей метод дозволяє оброблювати матеріал разовим імпульсом, що в свою чергу не дозволяє синтезувати великі об'єми карбідів перехідних металів. В основу корисної моделі, що заявляється, поставлено задачу удосконалити спосіб отримання карбідів металів перехідної групи шляхом заміни способу створення ударної хвилі, яка виникає в наслідок детонації вибухової речовини, ударними хвилями, що супроводжують високовольтні імпульсні розряди, та вибору вихідного матеріалу і параметрів обробки, що дозволить впливати на вихідний матеріал ударними хвилями циклічно, і за рахунок цього синтезувати карбіди перехідних металів з розміром менше за 0,4мкм у більших об'ємах. Суть корисної моделі полягає в отриманні карбідів перехідних металів шляхом твердофазного синтезу при ударно-хвильовій дії на вихідний матеріал, згідно з корисною моделлю, як вихідний матеріал використовують суспензію порошку перехідного металу або композиції перехідних металів та 5-8% вуглецю в вуглеводневій рідині при співвідношенні твердої та рідкої фаз від 1:3 до 1:30, а твердофазний синтез карбідів перехідних металів проводять при дії на суспензію високовольтними електричними розрядами напругою ≥50кВ, швидкістю зростання струму ≥6ГА/с та питомою енергією від 1000 до 4000кДж/л. Розкриваючи причинно-наслідковий зв'язок між ознаками способу, що заявляється, і технічним результатом, що досягається, необхідно відзначити наступне. Ознаки "в якості вихідного матеріалу використовують суспензію порошку перехідного металу або композиції перехідних металів та 5-8% вуглецю в вуглеводневій рідині в співвідношенні твердої та рідкої фази від 1:3 до 1:30" дозволяють захистити матеріал від окиснення в процесі обробки. Використання 5-8% вуглецю в вуглеводневій рідині сприяє ініціюванню пробою вуглеводневої рідини. Використання вихідного матеріалу в співвідношенні твердої і рідкої фази від 1:3 до 1:30 сприяє ефективному впливу високовольтних імпульсних розрядів на вихідний матеріал для синтезу карбідів перехідних металів. Ознаки "твердофазний синтез карбідів перехідних металів проводять при дії на суспензію високовольтними електричними розрядами напругою ≥50кВ, швидкістю зростання струму ≥6ГА/с та питомою енергією від 1000 до 4000кДж/л" дозволяють впливати на вихідний матеріал ударними хвилями циклічно, що призведе до синтезу карбідів перехідних металів у повному обсязі більших об'ємах вихідного матеріалу. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де на фіг.1 наведено графік залежності питомої поверхні порошку від інтегральної питомою енергії, на фіг.2 - мікрофотографія синтезованого матеріалу. Спосіб здійснюють таким чином. В якості вихідного матеріалу використовують суспензію порошку перехідного металу або компо 58797 4 зиції перехідних металів та 5-8% вуглецю в вуглеводневій рідині в співвідношенні твердої і рідкої фази від 1:3 до 1:30, заповнюють суспензією електророзрядну камеру та герметизують її. На електроди електророзрядної камери подають імпульси високої напруги та здійснюють дію на суспензію високовольтними електричними розрядами напругою ≥50 кВ, швидкістю зростання струму ≥6ГА/с та питомою енергією від 1000 до 4000кДж/л. Інтенсивна механічна дія ударних хвиль, що супроводжують високовольтні електричні розряди (швидкість яких складає 1600-1700м/с), на порошок приводить до його пластичної деформації та сприяє модифікації поверхні частинок за рахунок зміни структури, руйнування оксидних і адсорбованих шарів на поверхні частинок порошку. При обробці суспензії високовольтний електричний розряд впливає не тільки на порошок, але і на гас. Оскільки гас це суміш вуглеводнів (від С12 до С15) при електророзрядній дії довгі вуглеводневі ланцюги розриваються з утворенням газоподібних вуглеводнів, а також до утворення активного нановуглецю та водню (див. патент України №77370, МПК7 C01B31/06, опубл. 15.11.2006). Наслідком цих процесів є зміна реакційної здатності реагуючої суміші - механічна активація, що сприяє ініціації хімічних перетворень і зростанню інтенсивності взаємодії активного нановуглецю, який утворився в результаті розпаду вуглеводневою рідини та порошку перехідного металу, а також значне подрібнення вихідного матеріалу. Визначення параметрів високовольтних електричних розрядів, підбір концентрації суспензії та кількість введеного вуглецю, яка використовувалася при синтезі металів перехідної групи, визначалися експериментально. Експериментально встановлено, що при співвідношенні твердої і рідкої фази, коли рідка фаза перевищує більш ніж в 30 разів тверду, синтез проводити не ефективно, так як дуже великий розкид твердої фази по всьому об'єму електророзрядної камери. При співвідношенні твердої і рідкої фази , коли рідка фаза менш ніж в 3 рази перевищує тверду, недостатньо кількості нановуглецю для протікання твердофазних реакцій. Додаток до твердої фази суспензії 5-8% вуглецю необхідно для ініціювання пробою, якщо вуглецю менш ніж 5%, то виникає затримка пробою, або зовсім відсутнє формування каналу розряду, збільшення вуглецю ніж 8% не доцільно, так як в процесі обробки суспензії з гасу утворюється нановуглець, який підтримує необхідну концентрацію вуглецю в суспензії для протікання твердофазних реакцій між металевими порошками та нановуглецем. Вибір напруги ≥50кВ та швидкості зростання струму ≥6ГА/с пов'язані з необхідністю створення хвиль стиснення в середовищі, які є ударними і впливають на диспергування матеріалу та протікання твердофазних реакцій. Експериментально встановлено, що питомої інтегральної енергії менш ніж 1000кДж/л не достатньо для синтезу карбідів перехідних металів в повному обсязі, а використання питомої інтегральної енергії більш ніж 4000кДж/л не доцільно, так як 5 58797 цієї енергії цілком достатньо щоб весь матеріал подрібнився та прореагував з нановуглецем. Конкретний приклад Спосіб було реалізовано при обробці порошку 70% Fe+25 % Ti+5% C, для якого границі міцності 6 складають для Fe - σр=250МПа, для Ті σр=340МПа та для С - σр=3МПа. Співвідношення твердої та рідкої фази 1:5. Параметри обробки наведено в таблиці Таблиця № п/п Напруга,и Швидкість зростання струму ĺ Питома енергія, W 1 2 3 4 5 кВ 45 50 50 50 50 ГА/с 5 28 6 8 6 кДж/л 4000 800 1000 2000 4000 При обробці в режимі №1 тиск в каналі розряду не забезпечує формування ударних хвиль стиснення, тому здійснюється подрібнення порошків хвилями стиску, що призводить до здрібнення частинок до розміру 3мкм. При цьому не відбувається твердофазних реакцій в між металевими порошками та нановуглецем. Обробка в режимі №2 забезпечує швидкість зростання струму 28ГА/с сприяє, що забезпечує тиску в каналі розряду Pk=1050МПа та формування ударних хвиль, але дає незначні результати синтезу карбідів перехідних металів, тому що при питомої енергії 800кДж/л середній діаметр порошку становить 1,5мкм, цього недостатньо для повного протікання твердофазних реакцій.. Обробка в режимі №3, який забезпечує швидкість зростання струму 6ГА/с;сприяє забезпеченню тиску в каналі розряду Pk=1100МПа при питомій енергії 1000кДж/л,дозволила зменшити середній діаметр частинок порошку від Dn=15мкм до Dn=0,3мкм та синтезувати до 80% Fe3C і ТіС. Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко Тиск в каналі розряду. Рк МПа 700 1050 1100 1150 1100 Збільшення швидкості зростання струму (режим №4) до 8ГА/с при питомій енергії 2000кДж/л дозволило зменшити розмір частинок до ≤0,4мкм та синтезувати Fe3C, TiC у повному обсязі. Збільшення питомій енергії 4000кДж/л (режим №5) дозволила при швидкості зростання струму 6ГА/с зменшити розмір частинок до ≤0,4мкм та синтезувати Fe3C, ТіС у повному обсязі. На фіг. 1 показано як збільшується питома поверхня порошку в залежності від питомої енергії високовольтних електричних розрядів. На фігурі 2 показана мікрофотографія синтезованого матеріалу. Рентгеноструктурний аналіз показує, що у всій масі дослідженого порошку в рентгенівському спектрі зразків чітко фіксується поява ліній карбідів Fe3C і ТіС. Таким чином використання способу дозволить впливати на вихідний матеріал ударними хвилями циклічно і за рахунок цього синтезувати карбіди перехідних металів з розміром менше за 0,4 мкм у більших об'ємах. Підписне Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601