Способ обработки порошка или порошковой смеси

 

Использование: в порошковой металлургии. Сущность изобретения: способ включает загрузку порошка или порошковой смеси в рабочую камеру, дальнейшую обработку при герметично закрытой камере в направлении силы тяжести с помощью возбудителя импульсов, при этом обработку ведут в газовой среде или органической жидкости при соотношении амплитуды и частоты импульсов 0,0390 - 0,0780, плотности звуковой энергии (1,4 - 2,6)·10⁶ Дж/м³ с ускорением движущейся части возбудителя импульсов 130-200 м/с² при температуре структурных превращений. 2 табл.

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для обработки порошка или порошковой смеси.

Известен способ обработки порошка вибрацией (Гончаревич И.Ф. "Вибрация - нестандартный путь", М. Наука, 1986, стр. 58), при котором порошок помещают в закрытый барабан и, используя эксцентриковый вибровозбудитель, перемешивают порошки. Известный способ обладает следующими недостатками: значительное время обработки порошка или порошковой смеси (до 24 часов), в результате обработки не наблюдается активация поверхности порошка и, как следствие, физико-химические характеристики изделий, полученных из порошка имеют достаточно низкие значения. Кроме того, значительны затраты времени на смешивание поликомпонентных смесей (до 24 часов).

Известен способ получения материала из расслаивающегося расплава бинарной системы цинк-свинец (заявка N 4864000/02 от 04.09.90 г. пол. реш. от 28.06.91). Способ включает импульсную обработку расплава при температуре 500+50^oC в замкнутом объеме в направлении силы тяжести при соотношении амплитуды и частоты импульсов 0,0133-0,0380, плотности звуковой энергии 1,2·10⁴ 1,2·10⁶ Дж/м³ с ускорением движущейся части возбудителя колебаний 40-125 м/с² с установления постоянного электросопротивления расплава и последующее охлаждение.

Однако, известный способ может быть использован только для получения материалов из расплава, поскольку агрегатное состояние исходных веществ, их физико-химические свойства (например, такие как плотность, текучесть, поверхностное натяжение) сугубо специфичны и определяют проведения процесса. Эти условия не могут быть применены при использовании исходных веществ в другом агрегатном состоянии.

Известен способ приготовления смесей карбида вольфрама и кобальта с использованием ультразвука ("Порошковая металлургия", 1971 г. N 3, стр. 93-96. ). В данном способе обработка выполнялась в открытой емкости с помощью генератора УЗГ-2,5 А при частоте 18,5 кГц и на установке УЗВД-6, питающейся от генератора УЗГ-10М с обратной акустической связью, обеспечивающей постоянство амплитуды колебаний, под давлением 3,9 атм, на частоте 19,5 кГц при температуре рабочей жидкости, не превышающей 48^oC. В качестве рабочих жидкостей использовались керосин, дистиллированная вода и этиловый спирт. При этом минимальная интенсивность измельчения частиц имела место в конце ультразвуковой обработки, продолжительность которой составляла 60 мин.

Недостатком известного способа является недостаточная интенсивность процесса. Таким образом, перед авторами стояла задача разработать способ обработки порошка или порошковой смеси, который бы интенсифицировал процесс и обеспечивал высокие физико-химические свойства изделий, полученных из порошка порошковой смеси.

Поставленная задача решена в способе обработки порошка или порошковой смеси, включающем загрузку порошка или порошковой смеси в рабочую камеру и последующую импульсную обработку. При этом обработку ведут с помощью возбудителя импульсов в направлении силы тяжести при соотношении амплитуды и частоты импульсов 0,0390-0,00780, плотности звуковой энергии (1,3-2,6)·10⁶ Дж/м³ с ускорением движущейся части возбудителя импульсов 130-200 м/с² при температуре структурных превращений.

Предлагаемым способом могут быть обработаны порошки или порошковые смеси черных и цветных металлов, а также их соединений при условии использования оптимальных значений параметров в заявленном интервале.

Так, с целью получения монодисперсной смеси никель-железо-кобальт обработку ведут при соотношении амплитуды и частоты импульсов 0,045-0,055, плотности звуковой энергии (1,5-1,9)·10⁶ Дж/м³ с ускорением движущейся части возбудителя импульсов 140-160 м/см².

С целью получения монодисперсной смеси карбид-вольфрам-кобальт обработку ведут при соотношении амплитуды и частоты импульсов 0,050-0,60, плотности звуковой энергии (1,7-2,1)·10⁶ Дж/м³ с ускорением движущейся части возбудителя импульсов 150-170 м/сек².

С целью получения монодисперсной смеси вольфрам-углерод обработку ведут при соотношении амплитуды и частоты импульсов 0,060-0,070 Дж/м, плотности энергии (2,1-2,5)·10⁶ Дж/см² с ускорением движущейся части возбудителя импульсов 170-190 м/см².

Для возбуждения импульсов при обработке порошка или порошковой смеси предлагаемым способом могут быть использованы различные типы генераторов колебаний, что связано со свойствами исходного порошка или порошковой смеси и условиями их обработки.

Так, при обработке взрывоопасного и воспламеняющегося порошка или порошковой смеси целесообразно использование гидравлического генератора колебаний.

В случае необходимости обработки порошка или порошковой смеси в автономных условиях целесообразно использование механического генератора колебаний.

В случае отсутствия каких-либо ограничительных особенностей, необходимых при обработке порошка или порошковой смеси, как наиболее оптимальный вариант целесообразно использование электромагнитного генератора колебаний.

С целью достижения максимальной активации поверхности порошка или порошковой смеси при обработке различных по составу исходных веществ целесообразно выполнение полости движущейся части возбудителя колебаний определенной конфигурации.

Так, при обработке порошка или порошковой смеси с удельной поверхностью от 5 до 4 м²/г целесообразно выполнение полости движущейся части возбудителя импульсов в виде конуса.

При обработке порошка или порошковой смеси с удельной поверхностью от 4 до 3 м²/г целесообразно выполнение полости движущейся части возбудителя импульсов в виде цилиндра.

При обработке порошка или порошковой смеси с удельной поверхностью от 3 до 2 м²/г целесообразно выполнение полости движущейся части возбудителя в виде сферы.

При обработке порошка или порошковой смеси с удельной поверхностью от 2 до 1 м²/г целесообразно выполнение полости движущейся части возбудителя в виде гиперболы.

При обработке порошка или порошковой смеси с удельной поверхностью от 1 до 0,1 м²/г целесообразно выполнение полости движущейся части возбудителя в виде параболы.

С целью получения наибольшей активации поверхности порошка или порошковой смеси обработку ведут при температуре структурных превращений, причем температурный интервал выбирают с учетом исходного порошка или порошковой смеси.

Так при обработке порошка или порошковой смеси тугоплавких металлов и группы железа (или элементов VI гр. табл. Менделеева) целесообразно вести обработку при температуре полиморфного превращения.

При обработке порошка или порошковой смеси легкоплавких металлов и цветных металлов целесообразно вести обработку при температуре фазового превращения.

С целью интенсификации процесса, а также получения наибольшей активности поверхности порошка или порошковой смеси обработку ведут в газовой среде, причем состав газовой среды обусловлен исходным составом порошка или порошковой смеси.

Так, порошок или порошковую смесь, содержащие в их составе нитридообразующие элементы титан, бор, и т.д. целесообразно обрабатывать в среде чистого азота.

Порошок или порошковую смесь, содержащие в их составе оксидостабилизирующие элементы, целесообразно обрабатывать в среде чистого кислорода.

Порошок или порошковую смесь, содержащие в их составе элементы хорошо поглощающие водород, палладий, медь и т.д. целесообразно обрабатывать в среде чистого водорода.

Порошок или порошковую смесь, содержащие в их составе оксидостабилизирующие элементы, целесообразно обрабатывать в среде жидкого кислорода.

Порошок или порошковую смесь, содержащие в их составе нитридообразующие элементы, целесообразно обрабатывать в среде жидкого азота.

Порошок или порошковую смесь, содержащие в их составе хорошо поглощающий водород, целесообразно обрабатывать в среде жидкого водорода.

Порошок или порошковую смесь, содержащие в их составе легкоокисляемые элементы: натрий, калий, барий и т.д. целесообразно обрабатывать в вакууме.

Порошок или порошковую смесь, содержащие в их составе окисляемые элементы группы железа, целесообразно обрабатывать в органических жидкостях группы спирта.

Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого способа, а именно интенсификация процесса и активация поверхности порошка или порошковой смеси, может быть получен только при использовании совокупности всех существенных признаков, указанных в формуле изобретения.

Это объясняется свойствами исходного продукта (порошка или порошковой смеси). А именно, решающее значение имеет агрегатное состояние исходного продукта твердое тело, которое обуславливается как свойствами продукта, подвергаемого обработке, так и условиями этой обработки.

При разработке предлагаемого способа необходимо учесть такие химические характеристики исходного продукта как насыпную плотность, сыпучесть, поверхностное натяжение, дискретность порошка, как физической субстанции, многофазность исходной системы.

В способе обработки порошка или порошковой смеси предлагаются такие условия и параметры обработки, при которых в замкнутом объеме рабочей камеры порошок или порошковая смесь подвергается сложному физическому воздействию - интенсивному перемешиванию в микрообъемах и диспергированию, акустической обработке, высоким удельным локальным давлением, трению, нагреву, что ведет к значительной интенсификации процесса и активации поверхности порошка или порошковый смеси (т.е. появлению поверхностно-активных центров), и как, следствие, к повышению физико-химических свойств изделий, изготовленных из полученного порошка или порошковой смеси. При этом обработку ведут при соотношении амплитуды и частоты импульсов 0,0390-0,0780, плотности вводимой звуковой энергии равной (1,3-2,6)·10⁶ Дж/м³ и ускорении движущейся части импульсов равном 130-200 м/с².

Выход за нижний предел любого из указанных параметров ведет к увеличению времени смешивания и отсутствию активации поверхности обрабатываемого продукта. Выход за верхний предел любого из указанных параметров, не улучшая получаемый технический результат, ведет к неоправданному повышению энергозатрат.

Обработку в соответствии с предлагаемым техническим решением ведут в газовой среде, которая вследствии взаимодействия с компонентами порошка или порошковой смеси способствует повышению активации поверхности обрабатываемого продукта.

Ведение обработки при температуре структурных превращений также способствует повышению активации поверхности обрабатываемого продукта и интенсификации процесса вследствии изменения параметров кристаллический решетки компонентов.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать ввод о наличии причинно-следственной связи между задачей, решаемой предлагаемым механическим решением, и заявленными условиями обработки порошка или порошковой смеси, которые были определены и подтверждены авторами экспериментальным путем.

Предлагаемый способ импульсной обработки или порошковой смеси осуществляется следующим образом.

Исходный порошок или порошковую смесь загружают в рабочую камеру, в которой движущая часть возбудителя импульсов, представляющая собой механический, гидравлический или электромагнитный генератор, полость движущейся части которого выполнена в виде цилиндра, конуса, сферы, гиперболы или параболы. Затем в камеру подают газ при давлении в 1 атм и камеру герметично закрывают. Дальнейшую обработку ведут при соотношении амплитуды и частоты импульсов, равном 0,0390-0,0780, плотности вводимой звуковой энергии (1,3-2,3)·10⁶ Дж/м³ с ускорением движущейся части возбудителя импульсов 130-200 м/см². Обработку ведут при температуре структурных превращений (фазовых или полиморфных), нагревая исходный продукт путем электронагрева, и контролируют температуру термопарой. Обработку ведут в течение 5-8 минут, после чего камеру разгерметизируют, газ откачивают и продукт выгружают. Активность поверхности полученного продукта определяют по данным рентгено-структурного анализа, гармонического анализа по уширению и сдвигу линий на дифрактограмме путем определения типа и концентрации дефектов (точечных, линейных, дислокационных, двойниковых). Количество дефектов обозначено определяет количество поверхностно-активных центров и, следовательно, активность поверхности порошка или порошковой смеси в целом.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами конкретного исполнения.

Пример 1. Берут 250 г смеси порошка типа Н₂Fe₂К₁ следующего состава: никель 20 вес. железо 70 вес. кобальт 10 вес. Смесь загружают в рабочую камеру установки импульсной обработки, в которой расположена движущая часть электромагнитного генератора, используемого в качестве возбудителя импульсов. Полость движущейся части возбудителя импульсов выполнена в виде цилиндра. Рабочую камеру заполняют азотом, который подают через редуктор при давлении 1 атм. Затем камеру герметизируют. Обработку порошковой смеси проводят при соотношении амплитуды и частоты равной 0,055, плотности вводимой звуковой энергии равной 1,9·10⁶ Дж/м³ и ускорении движущейся части возбудителя импульсов равном 160 м/с² в течение 5 мин. Затем камеру разгерметизируют, газ откачивают и выгружают обработанную порошковую смесь. Согласно данным химического анализа порошковая смесь полностью однородна. Методом гармонического анализа по уширению и сдвигу линий на дифрактограмме подвержено наличие центров активаций, а именно: из полученной смеси изготавливают образцы (5х5х10 мм) и спекают их по стандартной технологии.

Получают следующие физико-химические характеристики: плотность 17,2-17,3 г/см³, прочность 96 98 кг/мм², пластичность 32-33% равнительные свойства образцов, изготовленных из порошковой смеси, обработанной по предлагаемому способу, и образцов, изготовленных из порошковой смеси, обработанный по известному вибрационному способу, приведены в табл. 1.

Пример 2. Берут 250 г смеси порошка, состоящей из 225 г порошка вольфрама, соответствующего требованиям ТП719-101 (кислород 0,11 мас. d_ср 7 мм) и 25 г сажи, соответствующей ТУ 38-1154-88. Смесь загружают в рабочую камеру установки импульсной обработки, в которой расположена движущаяся часть механического генератора, используемого в качестве возбудителя импульсов. Полость движущейся части возбудителя импульсов выполнена в виде конуса. Рабочую камеру заполняют кислородом, который подают через редуктор. Затем камеру герметизируют. Обработку порошковой смеси проводят при соотношении амплитуды и частоты импульсов 0,065, плотности вводимой звуковой энергии равной 2,0·10⁶ Дж/м³ с ускорением движущейся части возбудителя импульсов 170 м/см² в течение 5 мин. Затем камеру разгерметизируют, газ откачивают и выгружают обработанную порошковую смесь. Обрабатывают аналогично 4 партии порошковой смеси. Проводят химический анализ каждой партии смеси. По данным анализа получают монодисперсную смесь, при этом содержание углерода общего составляет 9,93-10,12% и углерода свободного 8,86-9,80% соответственно, таким образом происходит связывание углерода и вольфрама. Например, при содержании в отработанной смеси углерода общего 9,93% содержание углерода свободного составляет 8,86% т.е. 10-12% углерода оказывается связанным в субкарбиды.

Пример 3. Берут 500 г порошковой смеси состава 450 г порошок вольфрама, соответствующих требованиям ТУ1(С_общ. 5,99 мас. C_CB 0,045 мас. d_cp 18 мкм), и 50 г порошка кобальта, соответствующего ВИТУ 14-89 (C_o 98,83 мас. O₂ 0,062 мас. Na 0,14 мас. Ca 0,027 мас. Н.В. 0,92 мас.). Смесь загружают в рабочую камеру установки импульсной обработки, в которой расположена движущаяся часть гидравлического генератора, используемого в качестве возбудителя импульсов. Полость движущейся части возбудителя импульсов выполнена в виде сферы. Рабочую камеру заполняют водородом, который подают через редуктор. Затем камеру герметизируют. Обработку порошковой смеси проводят при соотношении амплитуды и частоты импульсов 0,060, плотности вводимой звуковой энергии равной 2,1·10⁶ Дж/м³ с ускорением движущейся части возбудителя импульсов 170 м/см² в течение 5 мин. Затем камеру разгерметизируют, газ откачивают и выгружают обработанную порошковую смесь. Проводят химический анализ.

По данным химического анализа смесь полностью однородна, рентгено-структурный анализ подтвердил наличие центров активации, а именно плоскостей двойникования. Из полученной смеси изготовляют образцы (5х5x10 мм) и спекают их по стандартной технологии. Получают следующие физико-химические характеристики: плотность 14,7-15,1 г/см³, σ_в= 81,7кг/мм², σ_изгиб= 180,6кг/мм, σ_сжатие= 433,6кг/мм.. Сравнительные свойства образцов, изготовленных из порошковой смеси, обработанной по предлагаемому способу, и образцов, изготовленных из порошковой смеси, обработанной по известному вибрационному способу, приведены в табл. 2 Пример 4. Берут 500 г порошковой смеси состава 400 г цинка и 100 г меди, соответственно, марок ПЦВД и ПМВД-2. Смесь загружают в рабочую камеру установки импульсной обработки, в которой расположена движущаяся часть пневматического генератора, используемого в качестве возбудителя импульсов. Полость движущейся части возбудителя импульсов выполнена в виде гиперболы. Рабочую камеру вакуумируют до 10^-4 мм рт. ст. обработку порошковой смеси проводят при соотношении амплитуды и частоты 0,0390, плотности вводимой энергии 1,3·10⁶ Дж/м³ с ускорением движущейся части возбудителя импульсов 130 м/с² в течение 5 мин.

Затем камеру разгерметизируют и выгружают обработанную порошковую смесь. Проводят рентгено-структурный, рентгенофазный и химические анализы. По данным рентгенофазного анализа в смеси наблюдаются твердофазное взаимодействие и синтезируется интерметаллид, который индентифицирован как соединение, имеющее гексагональную решетку в параметрами: a 0,2047, c 0,4077 Нм. По химическому составу оно отвечает соединению CuZn⁵, образование которого ранее наблюдалось лишь в условиях интенсивной экзоэмиссии при напылении тонких пленок. После трехмесячной выдержки на воздухе в образцах этой смеси при комнатной температуре не обнаружено оксидов меди.

Пример 5. Берут порошок меди марки ПМВД-2 фракции 4 мкм (удельная поверхность 0,2 м²/г), насыпной плотности 1,90 г/см³. Форма и структура частиц меди: сферическая монокристаллическая. Смесь загружают в рабочую камеру установки импульсной обработки, в которой расположена движущаяся часть электродинамического генератора, используемого в качестве возбудителя импульсов. Полость движущейся части возбудителя импульсов выполнена в виде параболы. Рабочую камеру заполняют спиртом (C₂H₅OH), который подают через ротаметр. Затем камеру герметизируют. Обработку порошка меди проводят при соотношении амплитуды и частоты 0,078, плотности вводимой звуковой энергии равной 2,6·10⁶ Дж/м³ с ускорением движущейся части возбудителя импульсов 200 м/с² в течение 5 мин. Затем камеру разгерметизируют, спирт откачивают и выгружают обработанный порошок меди. Проводят рентгено-структурный анализ. По данным рентгено-структурного анализа в порошке меди после обработки возникают центры активации (дефекты). Методом гармонического анализа по уширению и сдвигу линий на дифрактограмме определены тип и концентрация дефектов. Это главным образом дефекты, связанные с появлением плоскостей двойникования. Их относительная концентрация 0,754. В образцах сравнения такие дефекты отсутствуют. По данным микроскопического анализа, в отличии от образцов-свидетелей, после обработки порошок меди становится сильно агломедированным. В случае порошка меди, частицы которого монокристалличны, итогом сращивания являются возникновение плоскостей двойникования. Выдержка на воздухе в течение трех месяцев обработанного порошка меди показывает, что он содержит значительно меньше оксида меди, чем образец сравнения, приготовленный по известному способу.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать стабильные по составу и во времени порошковые смеси, значительно повысить активность поверхности порошка или порошковой смеси, и, как следствие, значительно улучшить физико-химические свойства изделий, изготовляемых из этого порошка или смеси.

Кроме того, предлагаемый способ позволяет значительно (в 4-10 раз) интенсифицировать процесс.

Формула изобретения

1. Способ обработки порошка или порошковой смеси, включающий загрузку порошка или порошковой смеси в рабочую камеру и последующую импульсную обработку, отличающийся тем, что обработку ведут с помощью возбудителя импульсов в направлении силы тяжести при соотношении амплитуды и частоты импульсов 0,0390-0,00780, плотности звуковой энергии (1,3-2,6) ·10⁶Дж/м³ с ускорением движущейся части возбудителя импульсов 130-290 м/с² при температуре структурных превращений.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку ведут при соотношении амплитуды и частоты 0,045-0,055, плотности звуковой энергии 1,5·10⁶ 1,9·10⁶Дж/м³ с ускорением движущейся части возбудителя импульсов 140-160 м/с².

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку ведут при соотношении амплитуды и частоты 0,050-0,060, плотности звуковой энергии 1,7·10⁶ 2,1·10⁶Дж/м³ с ускорением движущейся части возбудителя импульсов 150-170 м/с².

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку ведут при соотношении амплитуды и частоты 0,060-0,070, плотности звуковой энергии 2,1·10⁶ 2,5·10⁶Дж/м³ с ускорением движущейся части возбудителя импульсов 170-190 м/с².

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве возбудителя импульсов используют электромагнитный генератор колебаний.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве возбудителя импульсов используют механический генератор колебаний.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве возбудителя импульсов используют гидравлический генератор колебаний.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве возбудителя импульсов используют пневматический генератор колебаний.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что движущаяся часть возбудителя импульсов выполнена с полостью в виде цилиндра.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что движущаяся часть возбудителя импульсов выполнена с полостью в виде конуса.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что движущаяся часть возбудителя импульсов выполнена с полостью в виде сферы.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что движущаяся часть возбудителя импульсов выполнена с полостью в виде гиперболы.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что движущаяся часть возбудителя импульсов выполнена в виде параболы.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку ведут при температуре фазовых превращений.

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку ведут при температуре полиморфных превращений.

16. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обработку ведут в атмосфере чистого кислорода.

17. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обработку ведут в атмосфере чистого азота.

18. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обработку ведут в атмосфере чистого водорода.

19. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку ведут в жидком кислороде.

20. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку ведут в жидком азоте.

21. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку ведут в жидком водороде.

22. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку ведут в вакууме.

23. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку ведут в органической жидкости, в качестве которой используют спирты.