RU2740495C1 - Method of producing a powder mixture of bidisperse ceramic and metal particles - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to powder metallurgy, particularly, to production of powder mixes. It can be used for formation of nanocomposite materials and ligatures. Mixing of ceramic and metal powders is carried out in two stages in a liquid medium, which is a solution of petroleum ether and stearic acid in weight ratio of 199/1. At the first step, ceramic nanoparticles with diameter of 30-140 nm are mixed in a liquid medium for at least 15 minutes. At the second stage, metal microparticles with diameter of 20-180 mcm are added to the obtained mixture and mixed for at least 15 min with subsequent removal of liquid in drying cabinet at temperature of not less than 80°C for not less than 24 hours. Mass fraction of powders and liquid is selected in ratio of 1/2, and weight fractions of nanoparticles and microparticles - in ratio of 1/19.

EFFECT: possibility of obtaining composite materials with particles uniformly distributed throughout the matrix and high mechanical properties.

1 cl, 3 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано в технологиях формирования нанокомпозитных материалов и лигатур. Смеси необходимы для получения композитных материалов на основе наноразмерных керамических частиц и микроразмерных металлических частиц с равномерно распределенными по объему матрицы частицами, что обеспечивает повышение механических характеристик.The invention relates to powder metallurgy and can be used in technologies for the formation of nanocomposite materials and ligatures. Mixtures are required to obtain composite materials based on nanosized ceramic particles and micro-sized metal particles with particles uniformly distributed over the matrix volume, which provides an increase in mechanical characteristics.

Формированию композитных материалов и лигатур препятствует агломерация наночастиц, которая не позволяет формировать однородные смеси для прессования порошковых смесей [1, 2].The formation of composite materials and ligatures is impeded by the agglomeration of nanoparticles, which does not allow the formation of homogeneous mixtures for pressing powder mixtures [1, 2].

Известен способ смешивания когезионных порошков [3], который заключается в сочетании колебательного/вращательного движения и процедуру просеивания. В этом способе имеются стадии подачи порошковой смеси к перфорированному разделяющему средству в контейнере, который приводят во вращательное и колебательное движение в горизонтальном и/или вертикальном направлениях. Недостатком данного способа является его применение для монодисперсных частиц со средним размером менее 10 мкм.There is a known method of mixing cohesive powders [3], which consists in a combination of vibrational / rotary motion and a sieving procedure. This method includes the steps of feeding the powder mixture to a perforated separating means in a container, which is rotationally and oscillatory in the horizontal and / or vertical directions. The disadvantage of this method is its use for monodisperse particles with an average size of less than 10 microns.

Известен способ изготовления металломатричного композита [4], в котором смешивание порошков осуществляют в консерванте, а после перемешивания удаляют консервант вакуумированием. Недостатком данного способа является использование вакуума, что значительно усложняет процесс получения порошковой смеси.A known method of manufacturing a metal matrix composite [4], in which the mixing of powders is carried out in a preservative, and after mixing, the preservative is removed by vacuum. The disadvantage of this method is the use of vacuum, which greatly complicates the process of obtaining a powder mixture.

Известен способ попеременного просеивания и смешивания порошков в одной операции [5], который заключается в вращении контейнера с порошком вокруг вала с лопастями для перемешивания. При этом на лопасти порошок попадает, проходя через сито. Недостатком данного способа является то, что при смешивании нано и микрочастиц данным методом, агломерация наночастиц может происходить после перемешивания порошковой смеси в процессе хранения и транспортировки.The known method of alternating sifting and mixing of powders in one operation [5], which consists in rotating a container with powder around a shaft with blades for mixing. In this case, the powder falls on the blades passing through the sieve. The disadvantage of this method is that when mixing nano and microparticles by this method, nanoparticle agglomeration can occur after mixing the powder mixture during storage and transportation.

Наиболее близким по техническому решению к заявляемому изобретению является способ перемешивания наночастиц [6]. Принцип способа заключается в том, что устройство для перемешивания заполняют гелеобразным или жидким электронепроводящим веществом, не вступающим в химические реакции с материалами наночастиц, например дистиллированной водой. Наночастицы одного материала заряжают положительно, а другого - отрицательно для увеличения сил отталкивания между частицами одного материала и предотвращения их слипания. В основной камере перемешивания вследствие притягивания разноименно заряженных частиц друг к другу наночастицы перемешивают и подают в дополнительную камеру перемешивания. Недостатком данного способа является его применение для перемешивания монодисперсных наночастиц.The closest technical solution to the claimed invention is a method of mixing nanoparticles [6]. The principle of the method lies in the fact that the mixing device is filled with a gel-like or liquid electrically non-conductive substance that does not enter into chemical reactions with nanoparticle materials, for example, distilled water. Nanoparticles of one material are charged positively and the other negatively to increase the repulsive forces between the particles of one material and prevent them from sticking together. In the main mixing chamber, due to the attraction of oppositely charged particles to each other, the nanoparticles are mixed and fed into the additional mixing chamber. The disadvantage of this method is its use for mixing monodisperse nanoparticles.

Техническим результатом настоящего изобретения является получение порошковой смеси бидисперсных наноразмерных керамических частиц и микроразмерных металлических частиц с равномерно распределенными частицами по объему смеси.The technical result of the present invention is to obtain a powder mixture of bidisperse nano-sized ceramic particles and micro-sized metal particles with uniformly distributed particles throughout the mixture.

Технический результат достигается тем, что разработан способ получения порошковой смеси бидисперсных керамических и металлических частиц, включающий перемешивание порошков в жидкой среде в несколько этапов. Перемешивание порошков в жидкой среде проводят в два этапа. В качестве жидкой среды используют раствор петролейного эфира и стеариновой кислоты в массовом соотношении 199/1. На первом этапе перемешивают керамические наночастицы в жидкой среде в течение не менее 15 минут. На втором этапе в полученную смесь добавляют металлические микрочастицы и перемешивают в течение не менее 15 минут с последующим удалением жидкости в сушильном шкафу при температуре не менее 80°С в течение не менее 24 часов. Диаметры керамических наночастиц выбирают в диапазоне (30÷140) нм, диаметры металлических микрочастиц - в диапазоне (20÷180) мкм, массовые доли порошков и жидкости выбирают в соотношении 1/2, массовые доли наночастиц и микрочастиц - в соотношении 1/19.The technical result is achieved by the fact that a method for producing a powder mixture of bidisperse ceramic and metal particles has been developed, including mixing the powders in a liquid medium in several stages. The mixing of powders in a liquid medium is carried out in two stages. A solution of petroleum ether and stearic acid in a weight ratio of 199/1 is used as a liquid medium. At the first stage, ceramic nanoparticles are mixed in a liquid medium for at least 15 minutes. At the second stage, metal microparticles are added to the resulting mixture and stirred for at least 15 minutes, followed by the removal of the liquid in a drying oven at a temperature of at least 80 ° C for at least 24 hours. The diameters of ceramic nanoparticles are selected in the range (30-140) nm, the diameters of metal microparticles - in the range (20-180) microns, the mass fractions of powders and liquid are chosen in the ratio 1/2, the mass fractions of nanoparticles and microparticles - in the ratio 1/19.

Положительный эффект изобретения обусловлен следующими факторами.The positive effect of the invention is due to the following factors.

1. Использование в качестве основного компонента жидкой среды петролейного эфира обеспечивает полное удаление жидкости из смеси за счет испарения в сушильном шкафу.1. The use of petroleum ether as the main component of the liquid medium ensures complete removal of liquid from the mixture due to evaporation in a drying oven.

2. Добавление в петролейный эфир стеариновой кислоты, являющейся поверхностно активным веществом, в соотношении 199/1 обеспечивает деагломерацию и перемешивание частиц порошковой смеси по всему объему. Соотношение петролейного эфира и стеариновой кислоты получено экспериментально и обеспечивает деагломерацию и перемешивание частиц порошковой смеси по всему объему.2. The addition of stearic acid, which is a surfactant, to petroleum ether in a ratio of 199/1 ensures deagglomeration and mixing of the particles of the powder mixture throughout the volume. The ratio of petroleum ether and stearic acid was obtained experimentally and provides deagglomeration and mixing of the particles of the powder mixture throughout the volume.

3. Перемешивание на первом этапе наночастиц с жидкостью в течение не менее 15 мин. обеспечивает их деагломерацию в жидкости. Время перемешивания выбрано экспериментально.3. Stirring the nanoparticles with liquid at the first stage for at least 15 minutes. ensures their deagglomeration in liquid. The mixing time was chosen experimentally.

4. Перемешивание на втором этапе смеси после добавления в нее металлических микрочастиц в течение не менее 15 обеспечивает равномерное распределение деагломерированных наночастиц в порошково-жидкостной смеси. Время перемешивания выбрано экспериментально.4. Stirring the mixture at the second stage after adding metal microparticles to it for at least 15 ensures uniform distribution of deagglomerated nanoparticles in the powder-liquid mixture. The mixing time was chosen experimentally.

5. Удаление жидкости из смеси в сушильном шкафу при температуре не менее 80°С в течение не менее 24 час. позволяет использовать недорогое и доступное оборудование (в отличие от вакуумных шкафов). Температура время сушки определены экспериментально.5. Removal of liquid from the mixture in a drying oven at a temperature of at least 80 ° C for at least 24 hours. allows the use of inexpensive and affordable equipment (as opposed to vacuum cabinets). The drying time temperature is determined experimentally.

6. Диаметры керамических наночастиц в диапазоне (30÷140) нм, металлических микрочастиц в диапазоне (20÷180)мкм выбраны экспериментально и позволяют избежать агломерации наночастиц при заданных параметрах перемешивания.6. The diameters of ceramic nanoparticles in the range (30-140) nm, metal microparticles in the range (20-180) microns are selected experimentally and allow avoiding agglomeration of nanoparticles at the given mixing parameters.

7. Соотношение массовых долей порошков и жидкости 1/2, а также соотношение массовых долей наночастиц и микрочастиц 1/19 выбраны экспериментально и позволяют обеспечить вязкость, достаточную для эффективной деагломерации и распределения частиц в процессе механического перемешивания.7. The ratio of the mass fractions of powders and liquid 1/2, as well as the ratio of the mass fractions of nanoparticles and microparticles 1/19 were selected experimentally and allow providing a viscosity sufficient for effective deagglomeration and distribution of particles during mechanical mixing.

Сущность изобретения поясняется рисунками.The essence of the invention is illustrated by drawings.

Фиг. 1а - Схема устройства для получения порошковой смеси на первом этапе: 1 - цилиндрический контейнер; 2 - механический смеситель; 3 - смесь керамических наночастиц с раствором петролейный эфир/стеариновая кислота.FIG. 1a - Diagram of a device for producing a powder mixture at the first stage: 1 - cylindrical container; 2 - mechanical mixer; 3 - a mixture of ceramic nanoparticles with a petroleum ether / stearic acid solution.

Фиг. 1б - Схема устройства для получения порошковой смеси на втором этапе: 1 - цилиндрический контейнер; 2 - механический смеситель; 4 - смесь керамических наночастиц и металлических микрочастиц с раствором петролейный эфир/стеариновая кислота.FIG. 1b - Diagram of a device for producing a powder mixture at the second stage: 1 - cylindrical container; 2 - mechanical mixer; 4 - a mixture of ceramic nanoparticles and metal microparticles with a petroleum ether / stearic acid solution.

Фит. 2 - Микрофотография полученной порошковой смеси после удаления жидкости.Fit. 2 - Micrograph of the obtained powder mixture after removing the liquid.

Фит. 3 - Микрофотография структуры композита после прессования полученной порошковой смеси.Fit. 3 - Micrograph of the structure of the composite after pressing the resulting powder mixture.

Пример реализацииImplementation example

Реализация способа приведена для порошковой смеси, содержащей нанопорошок нитрида алюминия (в качестве керамического порошка) и микропорошок магния (в качестве металлического порошка).The implementation of the method is given for a powder mixture containing aluminum nitride nanopowder (as a ceramic powder) and magnesium micropowder (as a metal powder).

Для реализации предложенного способа перемешивания бидисперсных керамических и металлических частиц были приготовлены навески нанопорошка нитрида алюминия и микропорошка магния в соотношении 1/19. Раствор петролейного эфира и стеариновой кислоты в соотношении 199/1 помещался в цилиндрический контейнер 1 (Фиг. 1). Средний размер частиц в нанопорошке нитрида алюминия составил 76 нм, в микропорошке магния - 90 мкм. Для перемешивания частиц использовался механический смеситель 2 (Фиг. 1) с постоянной угловой скоростью вращения 5000 об/мин. Перемешивание осуществлялось в 2 этапа: а) перемешивание наночастиц нитрида алюминия с раствором петролейный эфир/стеариновая кислота 3 (Фиг 1а) в течение 15 минут; б) добавление микропорошка магния в раствор петролейный эфир/стеариновая кислота, содержащий наночастицы нитрида алюминия и перемешивание порошковой смеси 4 (Фиг 1б) в течение 15 минут. После перемешивания осуществлялась сушка в сушильном шкафу с постоянной температурой 80°С в течение 24 часов для удаления жидкости.To implement the proposed method for mixing bidisperse ceramic and metal particles, weighed portions of aluminum nitride nanopowder and magnesium micropowder were prepared in a ratio of 1/19. A solution of petroleum ether and stearic acid in the ratio 199/1 was placed in a cylindrical container 1 (Fig. 1). The average particle size in aluminum nitride nanopowder was 76 nm, in magnesium micropowder - 90 microns. A mechanical mixer 2 (Fig. 1) with a constant angular speed of rotation of 5000 rpm was used for mixing the particles. Stirring was carried out in 2 stages: a) mixing of nanoparticles of aluminum nitride with a solution of petroleum ether / stearic acid 3 (Fig. 1a) for 15 minutes; b) adding magnesium micropowder to a petroleum ether / stearic acid solution containing nanoparticles of aluminum nitride and mixing powder mixture 4 (Fig. 1b) for 15 minutes. After mixing, drying was carried out in an oven at a constant temperature of 80 ° C for 24 hours to remove the liquid.

Микрофотография полученной порошковой смеси после удаления жидкости приведена на Фиг. 2., на которой проказано, что наночастицы нитрида алюминия равномерно распределены по поверхности микрочастиц магния.A photomicrograph of the resulting powder mixture after liquid removal is shown in FIG. 2., on which it is shown that aluminum nitride nanoparticles are evenly distributed over the surface of magnesium microparticles.

Высокое качество порошковой смеси подтверждается анализом образца композита, полученного прессованием порошковой смеси способом взрывного компактирования [7]. Использование указанной в примере реализации порошковой смеси позволяет получить однородную структуру композита, что видно на микрофотографии (Фиг. 3). Лабораторный анализ полученного образца нанокомпозита показал увеличение его твердости по сравнению с образцом магния от 34 до 45 HV.The high quality of the powder mixture is confirmed by the analysis of a composite sample obtained by pressing the powder mixture by explosive compaction [7]. The use of the powder mixture indicated in the example implementation allows obtaining a homogeneous composite structure, which can be seen in the micrograph (Fig. 3). Laboratory analysis of the obtained nanocomposite sample showed an increase in its hardness in comparison with the magnesium sample from 34 to 45 HV.

Таким образом, приведенный пример реализации показывает, что заявляемый способ позволяет достигнуть технический результат изобретения - получение порошковой смеси бидисперсных наноразмерных керамических частиц и микроразмерных металлических частиц с равномерно распределенными частицами по объему смеси.Thus, the given example of implementation shows that the claimed method allows to achieve the technical result of the invention - obtaining a powder mixture of bidisperse nanosized ceramic particles and micro-sized metal particles with uniformly distributed particles over the volume of the mixture.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Данилов П.А., Хрусталев А.П., Ворожцов А.Б., Жуков И.А., Промахов В.В., Хмелева М.Г., Пикущак Е.В., Кветинская А.В. Анализ влияния внешних физических воздействий на процессы литья легких сплавов // Вестник томского государственного университета. Математика и механика, 2018. №55. - С. 84-98.1. Danilov P.A., Khrustalev A.P., Vorozhtsov A.B., Zhukov I.A., Promakhov V.V., Khmeleva M.G., Pikuschak E.V., Kvetinskaya A.V. Analysis of the influence of external physical influences on the processes of casting light alloys // Bulletin of the Tomsk State University. Mathematics and Mechanics, 2018. №55. - S. 84-98.

2. Косников Г.А., Баранов В.А., Петрович С.Ю., Калмыков А.В. Литейные наноструктурные композиционные алюмоматричные сплавы // Литейное производство, 2012, №2. - С. 4-9.2. Kosnikov G.A., Baranov V.A., Petrovich S.Yu., Kalmykov A.V. Casting nanostructured composite aluminum-matrix alloys // Foundry, 2012, no. - S. 4-9.

3. Патент РФ №2140319, МПК A61J 3/00, А61М 15/00, B01F 3/18, B01F 5/24, B01F 9/00, B01F 9/02, B01F 11/00, B01F 11/02. Способ и устройство для смешивания когезионных порошков / К.Г. Веннерберг; опубл. 27.10.1999 г.3. RF patent No. 2140319, IPC A61J 3/00, A61M 15/00, B01F 3/18, B01F 5/24, B01F 9/00, B01F 9/02, B01F 11/00, B01F 11/02. Method and device for mixing cohesive powders / K.G. Wennerberg; publ. 10/27/1999

4. Патент РФ №2188248, МПК С22С 1/04, С22С 1/10. Способ изготовления металломатричного композита / В.А. Попов, Ю.А. Котов, В.В. Иванов, И.В. Бекетов, С.Н. Паранин, О.М. Саматов, A.M. Мурзакаев; опубл. 27.08.2002 г.4. RF patent №2188248, IPC С22С 1/04, С22С 1/10. Method of manufacturing a metal-matrix composite / V.A. Popov, Yu.A. Kotov, V.V. Ivanov, I.V. Beketov, S.N. Paranin, O. M. Samatov, A.M. Murzakaev; publ. August 27, 2002

5. СА 2736942 А1, IPC B01F 9/04. Method for alternately sifting and blending powders in the same operation / S.R. Kalidindi; 05.02.2013.5. CA 2736942 A1, IPC B01F 9/04. Method for alternately sifting and blending powders in the same operation / S.R. Kalidindi; 02/05/2013.

6. Патент РФ №2301771, МПК B82B 3/00. Способ и устройство перемешивания наночастиц / А.В. Вахрушев, А.Ю. Федотов, А.А. Вахрушев, М.В. Суетин; опубл. 27.06.2007 г.6. RF patent No. 2301771, IPC B82B 3/00. Method and device for mixing nanoparticles / A.V. Vakhrushev, A. Yu. Fedotov, A.A. Vakhrushev, M.V. Suetin; publ. June 27, 2007

7. Патент РФ №2654225, МПК B22F 3/08. Способ взрывного компактирования порошковых материалов / В.А. Архипов, А.Б. Ворожцов, С.А. Ворожцов, В.В. Промахов, А.С. Жуков, А.П. Хрусталев, И.А. Жуков; опубл. 17.05.2018 г.7. RF patent No. 2654225, IPC B22F 3/08. Method of explosive compaction of powder materials / V.A. Arkhipov, A.B. Vorozhtsov, S.A. Vorozhtsov, V.V. Promakhov, A.S. Zhukov, A.P. Khrustalev, I.A. Zhukov; publ. 05/17/2018

Claims (1)

Способ получения порошковой смеси бидисперсных керамических и металлических частиц, включающий перемешивание порошков в жидкой среде в несколько этапов, отличающийся тем, что перемешивание порошков в жидкой среде проводят в два этапа, в качестве жидкой среды используют раствор петролейного эфира и стеариновой кислоты в массовом соотношении 199/1, причем на первом этапе перемешивают керамические наночастицы в жидкой среде в течение не менее 15 мин, а на втором этапе в полученную смесь добавляют металлические микрочастицы и перемешивают в течение не менее 15 мин с последующим удалением жидкости в сушильном шкафу при температуре не менее 80°С в течение не менее 24 ч, при этом используют керамические наночастицы диаметром в диапазоне (30-140) нм, металлические микрочастицы диаметром в диапазоне (20-180) мкм, массовые доли порошков и жидкости выбирают в соотношении 1/2, а массовые доли наночастиц и микрочастиц - в соотношении 1/19.A method for producing a powder mixture of bidisperse ceramic and metal particles, including mixing powders in a liquid medium in several stages, characterized in that the mixing of powders in a liquid medium is carried out in two stages, a solution of petroleum ether and stearic acid in a mass ratio of 199 / 1, and at the first stage, the ceramic nanoparticles are mixed in a liquid medium for at least 15 minutes, and at the second stage, metal microparticles are added to the resulting mixture and stirred for at least 15 minutes, followed by the removal of the liquid in an oven at a temperature of at least 80 ° C for at least 24 hours, while using ceramic nanoparticles with a diameter in the range of (30-140) nm, metal microparticles with a diameter in the range of (20-180) microns, the mass fractions of powders and liquid are selected in a ratio of 1/2, and the mass fractions nanoparticles and microparticles - in a ratio of 1/19.

Images