Спосіб ерозійно-вибухового диспергування металів

Спосіб ерозійно-вибухового диспергування металів, заснований на пропусканні імпульсного 3 НЫХ 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 заготівки, а також обмеження на частоту вибухів із-за механічних операцій необхідних для подачі заготовок в зону реактора. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення продуктивності способу і поліпшення гранулометричного складу нанопорошків за рахунок зменшення розкиду частинок за розмірами. Поставлена задача вирішується диспергуванням металевих гранул в рідині шляхом вибухів не всієї заготівки, а локальних мікрооб'ємів металевих гранул, в яких здійснилась перебудова кристалічних ґрат металу, тобто здійснився поліморфний перехід. Запропонований, як і відомий спосіб ерозійновибухового диспергування металів заснований на пропусканні імпульсного електричного струму через ерозійні проміжки і металеві гранули, що знаходяться в діелектричній рідині в реакторі, що містить електроди і, відповідно до цієї пропозиції, збільшують енергію електричних імпульсів до появи стрибка напруги на електродах або перевищення порогу кавітації в рідині, при цьому енергія електричних імпульсів знаходиться в діапазоні 5...50Дж. Збільшення енергії електричних імпульсів приводить до збільшення потужності електричних розрядів між гранулами в рідкому середовищі, що дозволяє створити умови для перебудови кристалічних ґрат металу, тобто для здійснення поліморфного переходу в локальних мікрооб'ємах металевих гранул в зоні дії іскрового розряду за рахунок ефекту ударного стиснення матеріалу гранул. Це приводить до різкого збільшення продуктивності диспергування. Поява стрибка напруги на електродах свідчить про те, що в електричному ланцюзі, утвореному ланцюжком металевих гранул, відбулася стрибкоподібна зміна електричного опору. Таке фізичне явище спостерігається при поліморфному переході в кристалічних гратах металу, що приводить до стрибкоподібної зміни питомого електричного опору металу в локальних мікрооб'ємах металевих гранул, що піддалися ударному стисненню під час іскрового електричного розряду в рідкому середовищі. Ударне стиснення локальних мікрооб'ємів металевих гранул здійснюється під дією ударних хвиль, що виникають від іскрових розрядів в рідині в зонах ерозійних проміжків. Оскільки ударні хвилі, що приводять до ударного стиснення металу, розходяться на всі боки у вигляді сферичних хвиль, то найбільша величина ударного стиснення спостерігається в локальних мікрооб'ємах біля поверхні гранул вздовж лінії протікання електричного струму. У цих локальних мікрооб'ємах металу здійснюється поліморфний перехід. Перевищення порогу кавітації в рідині свідчить про те, що енергія електричного імпульсу вивільняється в локальних мікрооб'ємах металу, де її щільність дуже висока. Це також вказує на по 26344 4 ліморфний перехід в кристалічних ґратах металу, при якому енергія зосереджується в локальних мікрооб'ємах металу і приводить до вибухового диспергування речовини. При високій щільності енергії підвищується ступінь дисперсності металевого порошку. Поява кавітації сприяє ударному стисненню локальних мікрооб'ємів металевих гранул в зоні дії іскрового розряду за рахунок ударних хвиль в рідині. Величина ударного стиснення залежить від величини енергії імпульсів електричного струму. Енергія електричних імпульсів знаходиться в діапазоні 5...50Дж. При величині енергії електричних імпульсів менше 5Дж не спостерігається достатньо ефективне ударне стиснення і, відповідно, не спостерігається поліморфний перехід в локальних мікрооб'ємах металевих гранул в зоні дії іскрового розряду. При величині енергії електричних імпульсів більше 50Дж значно ускладнюється конструкція генератора імпульсів електричного струму, що робить неадекватними витрати і результат, який досягається. Поліморфне перетворення розглядається як граничний випадок стиснення для даної модифікації кристалічних ґрат металу. Величина стиснення для кристалічних тіл має кінцеве значення. При перевищенні цього значення кристалічні грати стають нестійкими, і здійснюється поліморфний перехід. Для різних металів точка поліморфного переходу різна. Так, наприклад, для заліза тиск поліморфного переходу складає величину близько 126кбар. Для олова тиск поліморфного переходу складає величину близько 100кбар. При поліморфному переході стрибкоподібно змінюється питомий електричний опір металу. Наприклад, у заліза питомий електричний опір змінюється більш ніж в 2,5 рази. [В.В. Евдокимов. Некоторые закономерности фазовых превращений элементов при высоких давлениях. Успехи физических наук. Т. 88, вып. 1, 1966.] Протікання імпульсного електричного струму через ті мікрооб'єми металевих гранул, що піддалися стисненню ударними хвилями, призводить до того, що переважна частка теплової енергії вивільняється в локальних мікрооб'ємах гранул, що піддалися поліморфному переходу, оскільки з цих зонах електричний опір стає найбільшим в електропровідному ланцюжку металевих гранул. Це дозволяє сконцентрувати енергію диспергування в дуже малих локальних мікрооб'ємах металу, що, у свою чергу, дозволяє отримувати високодисперсний металевий нанопорошок. На кресленні приведена схема реалізації способу. На кресленні зображені реактор 1 з електродами 2 і 3, металеві гранули 4, діелектрична рідина 5, іскрові розряди 6, локальні мікрооб'єми 7, наночастки 8, вібратор 9, осцилограф 10, підключений до електродів 2, З, п'єзоелектричний датчик 11, встановлений на корпусі реактора 1 і підключений до індикатора 12. Спосіб ерозійно-вибухового диспергування металів здійснюють таким чином. Металеві грану 5 ли 4, що підлягають диспергуванню, поміщають на дно реактора 1 між електродами 2 і 3. При цьому в якості металевих гранул 4 використовують метали або сплави. Метали вибирають з ряду: алюміній, олово, мідь, срібло, золото, платина, паладій, родій, іридій, нікель, залізо, вольфрам, молібден, кобальт, ванадій, тантал, ніобій, титан, цинк, марганець, магній. Сплави вибирають з ряду: латунь, нікель-хром, залізо-нікель, вольфрам-нікель, вольфрам-нікель-залізо, карбід вольфраму тощо. Для всіх металів і сплавів диспергування здійснюють в діелектричній рідині 5 з великим питомим опором. Під час надходження на електроди 2 і 3 електричних імпульсів від генератора імпульсів (на кресленні не показаний) між металевими гранулами 4 і електродами 2, З виникають іскрові розряди 6. Для збільшення кількості іскрових розрядів 6 і розрядних проміжків між гранулами гранули 4 піддають вібрації вібратором 9. Під дією іскрових розрядів 6 в точках входження струму в гранули 4 здійснюється ударне стиснення локальних мікрооб'ємів 7 металевих гранул 4 ударними хвилями, що виникають в рідині 5. Тиск вибухоподібно збільшується, що приводить до перебудови кристалічних ґрат металу, тобто до поліморфного переходу в локальних мікрооб'ємах металевих гранул. Наслідком поліморфного переходу є стрибкоподібна зміна питомого електричного опору металу в локальних мікрооб'ємах металевих гранул. Досягнення точки поліморфного переходу для певного металу здійснюється у міру збільшення енергії імпульсу електричного струму до появи стрибка напруги на електродах 2, 3 внаслідок стрибкоподібної зміни питомого електричного опору металу в локальних мікрооб'ємах металевих гранул. Скачок напруги на електродах фіксується осцилографом 10, який підключений до електродів 2, 3. Енергію імпульсів електричного струму збільшують і встановлюють в діапазоні 5...50Дж. При протіканні імпульсного електричного струму через ті мікрооб'єми металевих гранул 4, що піддалися ударному стисненню, переважна частка теплової енергії вивільняється саме в локальних мікрооб'ємах 7 гранул 4, що піддалися поліморфному переходу, оскільки з цих зонах електричний опір стає найбільшим в електропровідному ланцюжку металевих гранул. Енергія диспергування концентрується в цих дуже малих мікрооб'ємах 7 металу. 26344 6 Найбільш ефективне ударне стиснення мікрооб'ємів 7 здійснюється при перевищенні порогу кавітації в рідині. Перевищення порогу кавітації в рідині фіксується по максимальній амплітуді електричного сигналу з п'єзоелектричного датчика 11, встановленого на корпусі реактора 1. Максимальну амплітуду електричного сигналу з п'єзоелектричного датчика 11 спостерігають на індикаторі 12. Перевищення порогу кавітації в рідині свідчить про те, що енергія електричного імпульсу вивільняється в локальних мікрооб'ємах металу, де її щільність дуже висока. Це вказує на поліморфний перехід в кристалічних гратах металу, при якому енергія зосереджується в локальних мікрооб'ємах 7 металу і приводить до вибухового диспергування речовини. Мікрооб'єми 7 металу в зонах ерозійних проміжків плавляться і вибухоподібно руйнуються на найдрібніші наночастки 8 і пару. Продукти руйнування розлітаються з швидкостями, що перевищують 1км/с, і дуже швидко охолоджуються в рідині. Оскільки процес утворення наночасток 8 протікає вибухоподібно, то отриманий нанопорошок має високу дисперсність і однорідний гранулометричний склад. Оскільки вибухоподібне диспергування відбувається одночасно в безлічі ерозійних проміжків і не потрібні підготовчі операції для подачі заготовок в зону реактора, то продуктивність способу значно більше, ніж у прототипу. Приклад. Гранули заліза завантажували в реактор для ерозійно-вибухового диспергування, на дні якого вони розміщувалися між електродами. На електроди подавали імпульси електричного струму тривалістю 50мкс. Підвищували енергію імпульсів до появи стрибка напруги на електродах, який спостерігався на осцилографі 10. Енергія імпульсів при цьому досягла 15Дж. У реакторі здійснювались електричні розряди по ланцюжках металевих гранул 4. Процес носив явно виражений вибуховий характер, що проявлялося у великій інтенсивності звукових хвиль і великій кавітації в рідині. При цьому на індикаторі 12 фіксувався максимальний сигнал від п'єзоелектричного датчика 11. Це вказувало на високу концентрацію енергії в локальних мікрооб'ємах металу. При цьому здійснювалось диспергування гранул заліза, а зважений у воді порошок темносірого кольору виносився потоком рідини з реактора. Порошок заліза мав частинки однорідного гранулометричного складу. 7 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 26344 8 Підписне Тираж 26 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