СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОПОРОШКА НА ОСНОВЕ КАРБИДА ВОЛЬФРАМА
METHOD OF PRODUCING TUNGSTEN CARBIDE-BASED NANOPOWDER

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к получению наноразмерных порошковых материалов.
Известны способы получения нанопорошка на основе карбида вольфрама, которые основываются на химико-металлургических процессах. При этих способах кусковые отходы сплавляются селитрой. После выщелачивания, промывки и обработки аммонийными соединениями образующиеся паравольфраматы аммония подвергаются термическому разложению. В результате получается окись вольфрама, которая далее восстанавливается в водороде до чистого вольфрама [1].
Недостатком указанных способов является их крупнотоннажность, энергоемкость.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ получения нанопорошка на основе карбида вольфрама «цинковый метод», основанный на экстракции Со в Zn-расплав с последующей дистилляцией Zn. Способ основан на разрушении твердого сплава при контакте с расплавленным цинком [2].
Недостатком применения способа является отсутствие возможности управления:
1. Шириной и смещением интервала размера частиц.
2. Производительностью процесса.
Задача предлагаемого изобретения состоит в получении наночастиц карбида вольфрама с управляемой шириной и смещением интервала их размера с высокой производительностью.
Процесс электроэрозионного диспергирования (ЭЭД) представляет собой разрушение токопроводящего материала в результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами [3]. В зоне разряда под действием высоких температур происходят нагрев, расплавление и частичное испарение металла.
Для получения высокой температуры в ограниченной области малого объема необходима большая концентрация энергии. Достижение этой цели осуществляется использованием импульсного напряжения, а ЭЭД осуществляется в жидкой среде, которая заполняет зазор между электродами, называемый межэлектродным промежутком, или межэлектродным зазором.
Ввиду того, что любая гладкая поверхность имеет свой макро- или микрорельеф, между двумя электродами всегда найдутся две точки, расстояние между которыми будет меньше, чем между другими точками поверхностей электродов. При подключении к электродам источника тока (в данном случае импульсного) между электродами начинает протекать ток и возникает электрическое поле, напряженность которого между близлежащими точками электродов будет достигать наибольшего значения. Под воздействием электрического поля в зоне наибольшего напряжения происходит ионизация рабочей среды с образованием канала повышенной проходимости, т.е. нарушается электрическая прочность рабочей среды. И между этими двумя близлежащими точками происходит пробой межэлектродного промежутка. Между точками, в которых произошел пробой рабочей среды, образовывается канал с высокой электрической проводимостью.
Сечение канала разряда мало, а его расширению препятствует магнитное поле, которое сжимает канал. Ту же роль выполняет и рабочая среда, окружающая канал разряда. Длина канала разряда и его диаметр очень малы и поэтому плотность энергии в нем достигает больших величин, а температура в этом локальном объеме - десятков тысяч градусов. В точках, в которых разрядный канал опирается на электроды, происходят оплавление и испарение материала с поверхности электродов. Рабочая среда, окружающая канал разряда, под воздействием высоких температур разлагается и испаряется. Все эти процессы происходят в очень малые отрезки времени и с выделением больших энергий, поэтому они носят динамичный взрывной характер.
Под действием сил, развивающихся в канале разряда, жидкий материал и парообразный материал выбрасываются из зоны разряда в рабочую среду, окружающую его, и застывают в ней с образованием отдельных частиц. В месте действия импульса тока на поверхности электродов появляются лунки, образовавшиеся вследствие удаления материала импульсным разрядом. Таким образом, осуществляется электрическая эрозия твердого сплава, показанная на примере действия одного импульса, с образованием одной эрозионной лунки. После прекращения действия импульсного разряда напряжение на электродах падает. Начинается процесс деионизации рабочей среды, т.е. нейтрализация заряженных частиц, и электрическая прочность рабочей среды восстанавливается. Межэлектродный промежуток подготавливается для прохождения очередного разряда. Если на электроды от генератора периодически поступает импульсное напряжение, то процесс будет повторяться. При этом каждый новый импульсный разряд будет происходить в том месте, где расстояние между электродами минимально. Если пауза между импульсными разрядами достаточна для деионизации рабочей среды, то процесс будет повторяться с образованием новых эрозионных лунок на поверхности, этим и обуславливается процесс ЭЭД.
Пример
На экспериментальной установке в дистиллированной воде при массе загрузки 1874 г диспергировали отходы твердого сплава ВК8. При этом изменяли электрические параметры установки:
- частота следования импульсов от 140 до 660 Гц;
- напряжение на электродах от 100 до 160 В;
- емкость конденсаторов от 5 до 40 мкФ.
Процесс представлен на рисунке 1. Импульсное напряжение генератора 1 прикладывается к электродам 2 и 3 и далее к пластинам твердого сплава 6 (в качестве электродов также служат пластины твердого сплава). При достижении напряжения определенной величины происходит электрический пробой рабочей среды 5, находящийся в межэлектродном пространстве, с образованием канала разряда 7. Благодаря высокой концентрации тепловой энергии, материал в точке разряда 8 плавится и испаряется, рабочая среда испаряется и окружает канал разряда газообразными продуктами распада 9 (газовым пузырем). В результате развивающихся в канале разряда и газовом пузыре значительных динамических сил капли расплавленного материала 4 выбрасываются за пределы зоны разряда в рабочую среду, окружающую электроды, и застывают в ней, образуя каплеобразные частицы твердого сплава.
Получаемые этим способом порошковые материалы имеют в основном сферические частицы размером от 0,001 до 100 мкм. Причем изменяя электрические параметры процесса диспергирования (напряжение на электродах, емкость конденсаторов и частоту следования импульсов), можно управлять шириной и смещением интервала размера частиц, а также производительностью процесса. Для отделения наночастиц от крупноразмерных используется центрифуга.
Порошковые материалы, получаемые ЭЭД отходов спеченных твердых сплавов, могут эффективно использоваться в качестве высокотвердой фазы при изготовлении и восстановлении деталей машин различными способами наплавки (плазменно-порошковая наплавка, наплавка под слоем флюса, наплавка в среде защитных газов и др.) и напыления (детонационное напыление, плазменное напыление и др.), при нанесении гальванических покрытий (хромирование, железнение и др.), а также в качестве модификаторов различных литейных сплавов или добавок при изготовлении пластин спеченных твердых сплавов.