Способ электрохимического получения металлического порошка
Владельцы патента RU 2557398:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева" (РХТУ им Д.И. Менделеева) (RU)
Изобретение относится к порошковой металлургии. Способ электрохимического получения металлического порошка включает электролиз раствора солей металлов с катодным восстановлением ионов металлов в условиях плазмы. Электролиз ведут с использованием анода в виде пластины и катода в виде металлической проволоки, помещенной в стеклянную трубку, при напряжении, не превышающем 40 В. Возникновение плазмы обеспечивают в объеме электролита у рабочей поверхности катода. Обеспечивается повышение качества металлического порошка. 4 пр.
Способ электрохимического получения металлического порошка относится к порошковой металлургии, к способам получения металлических порошков путем электролиза водных растворов солей металлов и может быть использован при получении порошков металлов и сплавов для порошковой металлургии, для аддитивной технологии изготовления деталей методом 3D печати, а также для изготовления металлических катализаторов.
Известен способ (Патент РФ №2022060, С25С 5/02, 1994) получения высокодисперсных порошков железа и его сплавов, включающий проведение процесса в электролизере с вращающимся катодом, анодами из железа и никеля, заполненном водным раствором солей железа и никеля, поверх которого размещен слой раствора олеиновой кислоты в органическом растворителе. Электролиз проводят при плотности тока на катоде 20 А/дм2. Во время электроосаждения проводят магнитную выборку порошка. После окончания электролиза верхний слой отделяют от нижнего, извлекают остатки порошка и далее проводят ряд операций по отмывке, сушке и термообработке порошка.
Недостатками указанного способа являются двухслойная ванна и наличие агрегата вращения катода, значительно усложняющие процесс, а также невысокая плотность тока, ограничивающая производительность.
Известен способ (Патент РФ №2429107, B22F 9/14, 2011), принятый за прототип, включающий восстановление ионов металла из водного раствора его соли в электролизере с растворимым анодом и катодом, расположенном над поверхностью электролита, в условиях плазмы, возникающей при напряжении 400-500 В.
Недостатком данного способа является чрезмерный расход энергии, а главный недостаток состоит в низком качестве получаемого порошка металла вследствие его окисления в условиях постоянно горящего разряда в зазоре между катодом и электролитом. Что в свою очередь приводит к значительному усложнению способа, так как необходимо дополнительно вводить ряд технологических операций по восстановлению металла.
Техническая задача заявляемого способа: повышение качества получаемого металлического порошка и упрощение технологии его получения.
Решение технической задачи достигается тем, что в способе электрохимического получения металлического порошка, включающем электролиз раствора солей металлов с катодным восстановлением ионов металлов в условиях плазмы, электролиз ведут с использованием анода в виде пластины и катода в виде металлической проволоки, помещенной в стеклянную трубку, при напряжении, не превышающем 40 В, причем возникновение плазмы обеспечивают в объеме электролита у рабочей поверхности катода.
Примеры осуществления способа
Пример 1. В 1 л раствора медного купороса с концентрацией 1,2 М помещают анод в виде медной пластины, pH доводят до 1 добавлением серной кислоты. В полученный электролит опускают вертикально катод из алюминиевой проволоки диаметром 1 мм, вставленной в стеклянную трубку так, чтобы проволока не выступала за нижний край стеклянной трубки. Рабочую поверхность катода (сечение проволоки) помещают на расстоянии 1 см от анода. Напряжение на электролизере доводят до момента появления плазмы, а далее напряжение устанавливают 35 В, поддерживая плазму в состоянии одиночных чередующихся разрядов, сопровождающихся характерным треском и вспышками плазмы. Величина тока при этом достигает 6,5 А. Порошок, нарастающий на рабочей поверхности катода, под действием разрядов непрерывно осыпается. Собранный через 1 час электролиза порошок меди в количестве 5 г промывают в дистиллированной воде, а затем в ацетоне и высушивают. Полученный порошок имеет дендритную структуру и насыпную плотность 0,85 г/см3.
Пример 2. В 1 л раствора сернокислого никеля 0,3 М помещают никелевый анод площадью 1дм2 и доводят pH раствора до 1 добавлением серной кислоты. Далее опускают катод аналогично примеру 1. Напряжение па электролизере устанавливают 40 В (ток 3А), затем проводят электролиз аналогично примеру 1. Определяют насыпную плотность полученного в количестве 1 г дендритного порошка никеля, которая составляет 0,7 г/см3. Удельная поверхность порошка, определенная по методу низкотемпературной адсорбции, составляет 6 м2/г.
Пример 3. Электролизер заполняют 2 л водного раствора, содержащего 0,5 моля сернокислого никеля и 0,25 моля сернокислого железа (II), добавлением серной кислоты доводят pH до 1-2. Помещают никелевый анод площадью 1дм2, вертикально опускают катод в виде медной проволоки из меди диаметром 1,5 мм, вставленной в стеклянную трубку, и далее ведут процесс аналогично примеру 1. Величина тока при этом достигает 5 А. Собранный через 1 час электролиза порошок в количестве 3 г промывают в дистиллированной воде, а затем в спирте. Химический анализ сплава по стандартной методике показывает содержание никеля в сплаве 62%. Порошок имеет дендритную структуру с насыпной плотностью 0,6 г/см3.
Пример 4. Электролизер заполняют электролитом, содержащим 0,3 моль/л сернокислого никеля и 0,1 моль/л сернокислого железа (II), далее проводят процесс аналогично предыдущему примеру. Химический анализ полученного порошка сплава дает содержание никеля в сплаве 84%. Насыпная плотность составляет 0,5 г/см3, кратковременный перетир в ступке разрушает дендриты, приводя насыпную плотность к значению 1,0 г/см3. При этом порошок приобретает текучесть.
Как следует из примеров, предлагаемый способ проще прототипа и позволяет получать высококачественные порошки металлов и сплавов. Качество порошков обеспечивается тем, что необходимая дисперсность достигается высокой плотностью тока (около 30000 А/дм2), а однородность непрерывным отделением осадка под воздействием плазмы. Напряжение на электролизере в 10 раз ниже, чем в прототипе, то есть расход электроэнергии в 10 раз меньше. Получаемые разветвленные порошки лучше прессуются, что полезно для порошковой металлургии. Перетертые порошки обладают высокой текучестью, что полезно для аддитивной технологии, а высокая удельная поверхность порошков - необходимое условие их использования в качестве катализаторов.
Способ электрохимического получения металлического порошка, включающий электролиз раствора солей металлов с катодным восстановлением ионов металлов в условиях плазмы, отличающийся тем, что электролиз ведут с использованием анода в виде пластины и катода в виде металлической проволоки, помещенной в стеклянную трубку, при напряжении, не превышающем 40 В, причем возникновение плазмы обеспечивают в объеме электролита у рабочей поверхности катода.
