СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОРАЗМЕРНОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПОРОШКА
METHOD FOR PRODUCTION OF NANOSIZE METAL POWDER

Изобретение относится к области создания наноразмерных порошковых материалов путем измельчения, смешивания и механической активации металлических аморфных и микрокристаллических композиций и может быть использовано в химической промышленности (катализаторы, адсорбенты для очистки воды), порошковой металлургии (активаторы спекания порошков), производстве металлокерамики, пайке и сварке и других областях.
Среди современных измельчительных устройств наиболее подходящими для получения наноразмерных металлических порошков, с точки зрения достижения на них высокой степени измельчения, интенсивности механической обработки (активации) и производительности, являются дезинтеграторы, центробежные и струйные мельницы. В этих устройствах реализуется режим свободного удара (скорости соударений в них могут достигать 450 м/с).
Известны способы измельчения материалов (1. RU №93007674 А, кл. B02C 19/00, 1995 г.; 2. RU №2211090, кл. B02C 13/22, 2002 г.; 3. SU №1766514 А2, кл. B02C 19/00, 1992 г.), где с целью повышения эффективности измельчения, тонкости помола используют различные измельчительные установки и технологии. В них возможность передачи механической энергии обрабатываемому веществу в значительной степени зависит от конструкции установки (дезинтегратора, мельницы), а также условий измельчения: от скоростей ударных элементов, частоты соударений частиц обрабатываемого материала. Недостатком известных способов является невозможность разогнать частицы измельчаемого материала до требуемой скорости и обеспечить необходимую длину пробега и соответственно кинетическую энергию обрабатываемых частиц за счет управления частотой соударений. Эти факторы, в конечном счете, определяют возможность получения наноразмерного порошка необходимой фракции (3-100) нм.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения металлического порошка аморфной структуры по патенту SU №1560321 А1 (кл. B02C 19/00, от 10.12.87 г.). Способ получения порошка состоит из двухступенчатого измельчения материала с аморфной структурой в высокоскоростном дезинтеграторе за счет относительного движения ударных элементов. Труднодеформируемый металлический материал сначала дробят при скорости относительного движения ударных элементов 50-130 м/с и частоте ударов 400-600 уд./с до размера частиц 1-3 мм. Затем продукт дробления измельчают до требуемой фракции (100 мкм и менее) при скоростях относительного движения ударных элементов 250-400 м/с и частоте 10000-30000 уд./с. Получают металлический порошок аморфной структуры фракции 2-100 мкм.
Недостатком известного способа является невозможность получения более мелкого порошка, в том числе требуемой фракции (3-100) нм. При указанных в способе условиях измельчения (скоростях относительного движения ударных элементов и частоте соударений) можно получить минимальный размер частиц аморфного порошка только фракции 2-10 мкм.
Техническим результатом настоящего изобретения является способ получения наноразмерного металлического порошка фракции (3-100) нм из труднодеформируемого материала.
Экспериментально установлено, что технический результат достигается за счет измельчения при определенных режимах материала с аморфной структурой в высокоскоростном дезинтеграторе, позволяющем существенно увеличить кинетическую энергию соударяемых частиц обрабатываемого порошка, при скоростях относительного движения ударных элементов 410-450 м/с и частоте ударов 5000-8000 уд./с.
Кроме того, исходный размер частиц отобранного обрабатываемого (измельчаемого) аморфного порошка не должен превышать 80 мкм. Структура таких частиц должна иметь 30-50% по объему нанокристаллических включений, которые, находясь в аморфной матрице, являются концентраторами напряжений, и по этим зонам происходит дезинтеграция порошкового материала.
Формирование нанокристаллических включений в требуемых количествах производится за счет предварительной термообработки (кристаллизационного отжига) измельчаемого аморфного материала при температурах (0,4-0,6) Т ликвидуса не менее одного часа.
Вариации параметров режима обработки материала (скорости относительного движения ударных элементов и частоты соударений) как в сторону их уменьшения, так и в сторону их увеличения приводят к невозможности получения наноразмерных порошков требуемой фракции.
При уменьшении скорости относительного движения ударных элементов менее 410 м/с и увеличения частоты ударов более 8000 уд./с минимальная фракция обрабатываемого материала составляет 2 мкм. При увеличении скорости относительного движения ударных элементов более 450 м/с и уменьшения частоты ударов менее 5000 уд./с наблюдается интенсивная конгломерация получаемых частиц, что может привести к выходу из строя роторной системы дезинтегратора (спекание и налипание обрабатываемого материала на пальцы и ротор дезинтегратора).
Только выполнение указанных условий в предлагаемом способе обеспечивает получение наноразмерного металлического порошка фракции (от 3 до 100 нм) из труднодеформируемых магнитных, износостойких, вибродемпфирующих материалов и сплавов-припоев и др. Полученный наноразмерный металлический порошок обладает уникальными свойствами (физическими, химическими, механическими) наноматериалов.
Пример 1. Для получения наноразмерного порошка фракции (50-100) нм отбирают аморфный порошок марки АМАГ-200 на основе железа (система Fe-Cu-Nb-Si-B) фракции 60-80 мкм.
Предварительно аморфный порошок термообрабатывают (кристаллизационный отжиг) в вакуумной электропечи типа СНВЭ-1.3.1/16 И4 при температуре (0,4-0,6) Т ликвидуса в течение 1 часа для формирования нанокристаллических включений. По результатам рентгеноструктурного анализа частицы отожженного порошка марки АМАГ-200 содержат кристаллическую фазу в виде наноразмерных включений, составляющих 30% по объему.
Далее термообработанный порошок подвергают одноступенчатому измельчению в высокоскоростном дезинтеграторе типа DESI-11. Для предотвращения окисления химически активных веществ измельчение можно вести в атмосфере аргона.
Порошок подают через дозаторное устройство в рабочую зону дезинтегратора и обрабатывают материал при скорости вращения роторов 410 м/с и частоте 5000 уд./с. Частоту удара определяют расчетным путем, исходя из скорости вращения роторов, количества ударных элементов (пальцев ротора) и дозированного поступления материала в рабочую зону дезинтегратора. Полученный наноразмерный порошок, пройдя разгрузочный канал и циклон, собирается в специальный вакуумный приемный контейнер дезинтегратора, имеющий жидкостную систему, исключающую реализацию пирофорности порошка.
Пример 2. Для получения наноразмерного порошка фракции (3-5) нм отбирают порошок из аморфного и микрокристаллического сплава (АМС) марки СТЕМЕТ-1201 на основе титана (система Ti-Cu-Zr-Ni) фракции 50-80 мкм.
Предварительно аморфный порошок марки СТЕМЕТ-1201 термообрабатывают (кристаллизационный отжиг) в вакуумной электропечи типа СНВЭ-1.3.1/16 И4 при температуре (0,4-0,6) Т ликвидуса в течение 1 часа. Проводят рентгеноструктурный анализ отожженного аморфного порошка, который показывает наличие кристаллических фаз в виде наноразмерных включений, составляющих 50% по объему.
После чего термообработанный порошок подвергают одноступенчатому измельчению в высокоскоростном дезинтеграторе типа DESI-11. Для предотвращения окисления химически активных веществ измельчение можно вести в атмосфере аргона.
Измельчаемый порошок подают через дозаторное устройство в рабочую зону дезинтегратора и обрабатывают материал при скорости вращения роторов 450 м/с и частоте 8000 уд./с, которая определяется расчетным путем для каждого дезинтегрируемого материала, исходя из скорости вращения роторов, количества ударных элементов и дозированного поступления материала в рабочую зону дезинтегратора. Полученный наноразмерный порошок фракции (3-5) нм, пройдя разгрузочный канал и циклон, собирается в специальный вакуумированный приемный контейнер дезинтегратора, имеющий жидкостную систему, исключающую реализацию пирофорности.
Фазовый состав, полученных наноразмерных порошков (пример 1 и 2), определяли рентгеноструктурным анализом на рентгеновском дифрактометре типа ДРОН-4М (или дифрактометре типа «Bruker»). Исследование микроструктуры и определение геометрических характеристик частиц порошка проводили методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на сканирующем электронном микроскопе типа «Camscan-4DV».
Таким образом, проведенные исследования показали, что при соблюдении выбранных режимов измельчения удалось получить металлический порошок заданного фракционного состава, имеющий нанокристаллическую структуру, путем одноступенчатого измельчения термообработанного порошка с аморфной структурой в дезинтеграторной установке. Это позволяет вести разработку методом порошковой металлургии изделий спецтехники нового поколения с использованием наноразмерных металлических порошков (магнитомягких, коррозионно- и эрозионностойких, высокопрочных и др.).