RU2486032C1

RU2486032C1 - Method of producing metal powder

Info

Publication number: RU2486032C1
Application number: RU2012119156/02A
Authority: RU
Inventors: Алмаз Фивзатович Гайсин; Рамиль Тахирович Насибуллин; Ленар Рафисович Саримов; Ирина Тагировна Фахрутдинова
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2013-06-27

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to plasma technology. Proposed method comprises firing the discharge in discharge chamber between two electrodes. Solid cathode made of rod-shape sprayed material makes one electrode while liquid anode, an electrolyte, makes another electrode. Solid cathode diameter makes 4≤d≤12 mm, voltage between cathode and anode makes 120≤U≤1000 V, discharge current makes 50≤I≤900 mA, while distance between cathode and anode is set to make 2≤l≤40 mm. Pressure in discharge chamber equals 2≤p≤20 kPa while process is realise at salt solution electrolyte concentration of 2% to saturation.

EFFECT: metal powder dispersity of 10-100 nm.

2 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к плазменной технике и технологии, а именно к способам получения металлических нанопорошков.The present invention relates to a plasma technique and technology, and in particular to methods for producing metal nanopowders.

Из существующего уровня техники известен способ получения металлических порошков, описанный в патенте РФ 2093311 C1, B22F 9/14. 20.10. 1997, с помощью электронного взрыва проводников, который включает разрушение проводника при прохождении через него тока большой плотности порядка 10⁷ А/см² за время 10^-5…10^-7 с. Недостатками данного технического решения являются необходимость наличия прочной камеры, достаточно мощного специального высоковольтного источника энергии, генерирующего импульсы тока, большой разброс получаемых частиц по их размерам. Кроме того, процесс сложно автоматизировать в режиме непрерывной работы.The prior art method for producing metal powders is described in the patent of the Russian Federation 2093311 C1, B22F 9/14. 10.20. 1997, with the help of an electronic explosion of conductors, which includes the destruction of a conductor when a high-density current passes through it of the order of 10 ⁷ A / cm ² for a time of 10 ^-5 ... 10 ^-7 s. The disadvantages of this technical solution are the need for a robust camera, a sufficiently powerful special high-voltage energy source that generates current pulses, a large spread of the resulting particles in their size. In addition, the process is difficult to automate in continuous operation.

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.Closest to the claimed technical solution is the method of producing a metal powder described in RF patent 2332280 C2, B22F 9/14, 06/30/2006, in which the powder is obtained by igniting a discharge between two electrodes, one of which is a cathode that is made of sprayed material in in the form of a rod, with a diameter of 10≤d≤40 mm. An electrolyte (process water) is used as another electrode anode. The process of obtaining powder is carried out with the following parameters: voltage between the electrodes 500≤U≤650 V, discharge current 1.5≤I≤3 A, the distance between the cathode and electrolyte 2≤l≤10 mm. The whole process is carried out at atmospheric pressure.

Недостатком прототипа является невозможность получения в указанных в нем условиях порошков с дисперсностью менее 5 мкм, а также прототип имеет недостаточную производительность получения металлического порошка.The disadvantage of the prototype is the impossibility of obtaining in the conditions indicated therein powders with a dispersion of less than 5 microns, and the prototype also has insufficient productivity for producing metal powder.

Решаемая техническая задача заключается в получении металлических порошков дисперсностью от 10 до 100 нм, то есть получение нанопорошков, и в увеличении производительности получения металлического порошка.The technical problem to be solved is to obtain metal powders with a dispersion of 10 to 100 nm, that is, to obtain nanopowders, and to increase the productivity of obtaining metal powder.

Решаемая техническая задача в способе получения металлического порошка, включающем зажигание разряда между двумя электродами, один из которых катод, который выполняют из распыляемого материала в виде стержня, а в качестве другого электрода-анода используют электролит, достигается тем, что катод в виде стержня выполняют диаметром 4≤d≤12 мм, напряжение между твердым катодом и жидким анодом устанавливают 120≤U≤1000 В, ток разряда устанавливают 50≤I≤900 мА, расстояние между твердым катодом и жидким анодом устанавливают 2≤l≤40 мм, давление в разрядной камере устанавливают 2≤p≤20 кПа, где U - напряжение между твердым катодом и жидким анодом, I - ток разряда, l - расстояние между твердым катодом и жидким анодом, p - давление в разрядной камере. Процесс осуществляют при концентрации электролита - растворы солей - от 2% до насыщения.The technical problem to be solved in a method for producing a metal powder, including ignition of a discharge between two electrodes, one of which is a cathode that is made of a sprayed material in the form of a rod, and an electrolyte is used as the other electrode-anode, that the cathode in the form of a rod is made with a diameter 4≤d≤12 mm, the voltage between the solid cathode and the liquid anode is set to 120≤U≤1000 V, the discharge current is set to 50≤I≤900 mA, the distance between the solid cathode and the liquid anode is set to 2≤l≤40 mm 2≤p≤20 kPa is installed in the bottom chamber, where U is the voltage between the solid cathode and the liquid anode, I is the discharge current, l is the distance between the solid cathode and the liquid anode, p is the pressure in the discharge chamber. The process is carried out at an electrolyte concentration - salt solutions - from 2% to saturation.

На фиг.1 показана структурная схема разрядной камеры, в которой осуществляют процесс получения металлического порошка по предлагаемому способу.Figure 1 shows the structural diagram of the discharge chamber, which carry out the process of obtaining metal powder by the proposed method.

На фиг.2 показана гистограмма гранулометрического состава получаемого порошка.Figure 2 shows a histogram of the particle size distribution of the obtained powder.

Разрядная камера (фиг.1) состоит из основания 1 и колпака 2, соединение между которыми уплотнено вакуумной резиной. В основании разрядной камеры проделаны специальные отверстия, куда герметично вставлены штуцеры 3 и 4. Они соединяют камеру с вакуумной арматурой установки: вакуумным насосом 5, вентилями 6 и 7, вакуумметром 8. Внутри разрядной камеры расположены электролитическая ванна 9, механизм перемещения твердого электрода 10, т.е. механизм перемещения катода 11 - распыляемого материала, являющийся твердым электродом, электролит 12, являющийся растворами солей, и система циркуляции электролита (на фиг.1 не показана). Воздух из разрядной камеры откачивается через выпускной штуцер 4 при помощи насоса 5 через вентиль 7. Величину давления контролируют вакуумметром 8, ток разряда измеряют амперметром 13 и величину напряжения между твердым и жидким электродами измеряют вольтметром 14. Система электрического питания экспериментальной установки для осуществления способа получения металлического порошка на фиг.1 не показана.The discharge chamber (Fig. 1) consists of a base 1 and a cap 2, the connection between which is sealed with vacuum rubber. At the base of the discharge chamber, special holes have been made where the fittings 3 and 4 are hermetically inserted. They connect the chamber to the vacuum fittings of the installation: vacuum pump 5, valves 6 and 7, vacuum gauge 8. Inside the discharge chamber there is an electrolytic bath 9, a mechanism for moving the solid electrode 10, those. a mechanism for moving the cathode 11 — the atomized material, which is a solid electrode, the electrolyte 12, which is a salt solution, and the electrolyte circulation system (not shown in FIG. 1). The air from the discharge chamber is pumped out through the exhaust nozzle 4 by means of a pump 5 through the valve 7. The pressure is monitored by a vacuum gauge 8, the discharge current is measured by an ammeter 13 and the voltage between the solid and liquid electrodes is measured by a voltmeter 14. The electrical power supply system of the experimental setup for implementing the method of producing metal the powder in figure 1 is not shown.

Способ получения металлического порошка осуществляют следующим образом: твердый электрод 11 в виде стержня диаметром 4≤d≤12 мм из распыляемого материала (оксид железа, никель, титан) закрепляют в механизме перемещения 10 над поверхностью электролитической ванны 9, в которую налит электролит 12 (растворы солей); отрицательный полюс источника постоянного напряжения подключают к твердому электроду-катоду 11, а положительный - к электролиту-аноду 12. Для зажигания разряда между поверхностью электролита 12 и твердым электродом 11 устанавливают межэлектродное расстояние в пределах 1≤l≤2 мм; вентиль 6 устанавливают в положение «закрыто»; через открытый вентиль 7 вакуумным насосом 5 воздух откачивается из разрядной камеры; при достижении необходимого значения давления p=20 кПа насос 5 выключают, вентиль 7 закрывают; подавая на электроды 11 и 12 напряжение U=120 В, добиваются пробоя межэлектродного промежутка. После этого напряжение между электродами устанавливают в пределах 120≤U≤1000 В, расстояние между твердым катодом и жидким анодом устанавливают в пределах 2≤l≤40 мм, ток разряда устанавливают в пределах 50≤I≤900 мА, давление в разрядной камере устанавливают в пределах 2≤p≤20 кПа. Процесс осуществляют в течение времени, например, пока полностью не кончится распыляемый материал.A method of producing a metal powder is carried out as follows: a solid electrode 11 in the form of a rod with a diameter of 4≤d≤12 mm from the sprayed material (iron oxide, nickel, titanium) is fixed in the movement mechanism 10 above the surface of the electrolytic bath 9, into which the electrolyte 12 is poured (solutions salts); the negative pole of the DC voltage source is connected to the solid electrode-cathode 11, and the positive to the electrolyte-anode 12. To ignite the discharge between the surface of the electrolyte 12 and the solid electrode 11 set the interelectrode distance in the range 1≤l≤2 mm; valve 6 is set to the closed position; through the open valve 7 with a vacuum pump 5, the air is pumped out of the discharge chamber; upon reaching the required pressure value p = 20 kPa, pump 5 is turned off, valve 7 is closed; applying voltage U = 120 V to the electrodes 11 and 12, breakdown of the interelectrode gap is achieved. After that, the voltage between the electrodes is set within 120≤U≤1000 V, the distance between the solid cathode and the liquid anode is set in the range 2≤l≤40 mm, the discharge current is set in the range 50≤I≤900 mA, the pressure in the discharge chamber is set to limits 2≤p≤20 kPa. The process is carried out over time, for example, until the sprayed material is completely exhausted.

Выбор конкретных значений напряжения, тока, давления и межэлектродного расстояния определяется оптимальными значениями для получения порошка с заданной дисперсностью. Только при таких значениях межэлектродного расстояния 2≤l≤40 мм, давления 2≤p≤20 кПа, напряжения 120≤U≤1000 В, тока разряда 50≤I≤900 мА, диаметра стержня катода 4≤d≤12 мм и концентрации электролита от 2% и до насыщения достигают решаемую техническую задачу. Осуществление процесса в указанных пределах параметров позволяет получать порошки с максимальной производительностью до 60 г/час.The choice of specific values of voltage, current, pressure and interelectrode distance is determined by the optimal values to obtain a powder with a given dispersion. Only at such values of the interelectrode distance 2≤l≤40 mm, pressure 2≤p≤20 kPa, voltage 120≤U≤1000 V, discharge current 50≤I≤900 mA, cathode rod diameter 4≤d≤12 mm and electrolyte concentration from 2% and until saturation they achieve the solved technical problem. The implementation of the process within the specified range of parameters allows to obtain powders with a maximum capacity of up to 60 g / hour.

Гранулометрический состав порошка оксида железа, полученного при напряжении U=312 В, токе разряда I=340 мА и давлении p=8 кПа, приведен на фиг.1. Из гистограммы гранулометрического состава видно, что порошок состоит из фракций с различным размером частиц. Порошки, получаемые способом плазменного распыления, имеют сферическую форму частиц или слегка эллипсоидную. Поверхность частиц преимущественно гладкая. Размер частиц определяется условиями технологического процесса их получения и может составлять от 10 нм до 2 мкм. В зависимости от параметров технологического процесса основная фракция может составлять от 16% до 34% (наночастицы с диаметром от 10 до 100 нм).The particle size distribution of the iron oxide powder obtained at a voltage of U = 312 V, a discharge current of I = 340 mA and a pressure of p = 8 kPa is shown in FIG. The histogram of the particle size distribution shows that the powder consists of fractions with different particle sizes. Powders obtained by plasma spraying have a spherical particle shape or slightly ellipsoidal. The surface of the particles is predominantly smooth. The particle size is determined by the conditions of the technological process for their preparation and can be from 10 nm to 2 μm. Depending on the parameters of the technological process, the main fraction can be from 16% to 34% (nanoparticles with a diameter of 10 to 100 nm).

Таким образом, по сравнению с прототипом данный способ получения металлического порошка позволяет уменьшить диаметр порошка в сотни раз и увеличивает производительность получения порошка с одного электрода до 60 г/час. Установка позволяет работать одновременно с шестью электродами. При этом производительность получения нанопорошка достигает до 360 г/час. Основная масса получаемого порошка (примерно 60%) имеет дисперсность 10-100 нм. С помощью данного способа можно получить нанопорошки различных металлов и сплавов (Ст.3, Ст.20, Ст.45, У8, У8А, У10, никель, титан, вольфрам, молибден и т.д.).Thus, in comparison with the prototype, this method of producing metal powder allows to reduce the diameter of the powder by hundreds of times and increases the productivity of obtaining powder from one electrode to 60 g / hour. The installation allows you to work simultaneously with six electrodes. Moreover, the nanopowder production capacity reaches up to 360 g / h. The bulk of the resulting powder (approximately 60%) has a dispersion of 10-100 nm. Using this method, it is possible to obtain nanopowders of various metals and alloys (Art. 3, Art. 20, Art. 45, U8, U8A, U10, nickel, titanium, tungsten, molybdenum, etc.).

Claims

Способ получения металлического порошка, включающий зажигание разряда в разрядной камере между двумя электродами, в качестве одного из которых используют твердый катод, выполненный из распыляемого материала в виде стержня, а в качестве другого - жидкий анод в виде электролита, отличающийся тем, что твердый катод выполняют диаметром 4≤d≤12 мм, напряжение между ним и жидким анодом устанавливают 120≤U≤1000 В, ток разряда устанавливают 50≤l≤900 мА, а расстояние между твердым катодом и жидким анодом устанавливают 2≤l≤40 мм, при этом давление в разрядной камере устанавливают 2≤р≤20 кПа и процесс осуществляют при концентрации электролита в виде раствора солей от 2% до насыщения. A method of producing a metal powder, comprising igniting a discharge in a discharge chamber between two electrodes, one of which is a solid cathode made of a sputtered material in the form of a rod, and the other is a liquid anode in the form of an electrolyte, characterized in that the solid cathode is with a diameter of 4≤d≤12 mm, the voltage between it and the liquid anode is set to 120≤U≤1000 V, the discharge current is set to 50≤l≤900 mA, and the distance between the solid cathode and the liquid anode is set to 2≤l≤40 mm, discharge pressure hydrochloric chamber set 2≤r≤20 kPa and the process is carried out at an electrolyte concentration in a salt solution of from 2% to saturation.