Способ получения мелкодисперсного металлического порошка
METHOD FOR OBTAINING FINE METAL POWDER

Изобретение относится к производству порошков металлов и их сплавов и может быть использовано для получения сырья металлических и твёрдосплавных изделий, а также износостойких наплавных покрытий методами порошковой металлургии.
Известны различные способы и устройства для получения порошков материалов диспергированием расплава, при которых для образования мелкодисперсных частиц на расплав металла воздействуют центробежными силами или потоком энергоносителя (газа или жидкости) [1], [2], [3].
-1
По патенту [1] твёрдый сыпучий материал подают во вращающийся тигель и расплавляют плазменной дугой между тиглем и катодом плазменно-дугового источника нагрева, а полученный расплав распыляют центробежными силами, возникающими при вращении тигля, до образования мелких капель, которые кристаллизуются при охлаждении. Недостатками известного способа являются ограничение возможности получения мелкодисперсных частиц, так как средний размер частиц порошка составляет 0,3…0,2 мкм при частоте вращения тигля от 3000 до 5000 мин и высокая степень неоднородности фракционного состава порошков.
В способе по патенту [2] создают вакуумно-дуговой разряд, а катод используют из металла используемого порошка. Испаряют металл и конденсируют пары металла на охлаждающую подложку, а температуру в катодном пятне обеспечивают путем регулирования тока разряда импульсного источника питания. Кратковременное увеличение температуры катодного пятна способствует более интенсивному испарению материала катода и позволяет получить частицы порошка с размерами от нескольких микрометров до долей микрометра. Недостатком способа является проблемный характер получений сфероидальных частиц, так как при ударе о массивную подложку частицы с размерами от нескольких микрометров и менее получают полусферическую форму, а более крупные частицы приобретают почти плоскую среднюю область, окруженную более высоким кольцом расплавленного металла.
В устройстве по патенту [3] реализуют технологию получения порошка, в которой в качестве расходуемого электрода (катода) используют проволоку, а второй неподвижный электрод выполняют в виде втулки с внутренними встречно направляемыми коническими поверхностями, образующими камеру распыления. При сближении электродов возникает электродуговой разряд, что приводит к плавлению и испарению расходуемого электрода (проволоки).
Диспергирующий поток инертного газа отрывает капли металла от торца проволоки. Капли и пары металла проходят через плазменную дугу и приобретают сферическую форму под действием сил поверхностного натяжения, охлаждаются в потоке диспергирующего газа и кристаллизируются.
Размер капель зависит от параметров сопла, через который подают диспергирующий газ, расстояния до торца проволоки (электрода).
Соотношение капель и паров в камере распыления зависит от мощности электрической плазменной  дуги, скорости подачи проволоки, давлении газа в камере распыления.
Недостатком этой технологии является высокая неоднородность частиц получаемого порошка, что обусловлено широким диапазоном рассеяния размеров частиц при распылении парокапельной смеси металла потоком газа и различных условий кристаллизации частиц из пара и жидкой фазы распыленного металла.
Наиболее близким заявляемому изобретению является способ получения порошков металлов [4], при котором осуществляют плазменно-дуговое плавление расходуемого электрода, подают расплавленный металл из тигля на быстровращающийся распылитель и производят распыление расплава центробежными силами, а также осуществляют дополнительно прогрев расплава в тигле плазменной струей.
Недостатком прототипа является высокий размах фракционного состава порошков. Это связано со значительным расстоянием от зоны плавления металла до кромки распылителя, где происходит отрыв капель расплава под действием центробежных сил. Перемещение расплавленного металла к периферии вращающегося дискового распылителя на расстояние, многократно превышающее толщину минимального слоя металла, приводит его неравномерному охлаждению и сопровождается различными условиями формирования размеров частиц при диспергировании после отрыва от кромки распылителя. Кроме того, на формирование ультрадисперсных частиц металла с размерами 0,8…10 мкм существенное влияние оказывают погрешности формы и микрорельеф поверхностей, образующий кромку распылителя, с которой происходит отрыв капель расплава, сопоставимых с размерами частиц порошка. Погрешности формы и микрорельеф поверхности кромки диска, когда диспергирование расплавленного металла происходит по всему периметру дискового распылителя, нарушает стабильность процесса отрыва капель расплава с различных участков кромки. Это приводит к образованию частиц порошка различных размеров и формы в процессе диспергирования и последующей кристаллизации капель металла после отрыва с кромки распылителя и полете в среде инертного газа.
Указанные недостатки принципиально ограничивают область применения известных способов получения мелкодисперсных порошков для изготовления ответственных твердосплавных изделий или нанесения тонких износостойких покрытий.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение качества получаемого порошка путем получения однородных частиц со стабильными размерами и формой и снижение тепловых потерь за счет сокращения расстояния между зоной плавления  разрушаемого электрода и зоной отрыва капель расплава, уменьшения размаха линейных скоростей отрыва и динамической стабилизации геометрии поверхности, с которой происходит отрыв капель расплава.
1
2
Технический результат достигается тем, что получение мелкодисперсного порошка металла осуществляется по способу, включающему подачу разрушаемого электрода в виде анода из металла, получаемого мелкодисперсного порошка, к поверхности неразрушаемого электрода в виде катода, подведение к электродам тока и напряжения для возникновения между ними электрической дуги мощностью, достаточной для образования расплава металлического материала разрушаемого электрода и распыления упомянутого расплава под действием центробежных сил до образования мелкодисперсных капель с их кристаллизацией при охлаждении в полете, отличающемуся тем, что упомянутому неразрушаемому электроду, выполненному в виде кольца, установленному на диске, сообщают вращение вокруг собственной оси с угловой скоростью ω, а упомянутому разрушаемому электроду, выполненному в виде стержня, - с угловой скоростью ω, при этом обеспечивают контактирование разрушаемого электрода с неразрушаемым менее чем половиной диаметра торцовой поверхности с направлением скорости вращения разрушаемого электрода, обеспечивающим сонаправленность векторов линейной скорости точек зоны контакта торца разрушаемого электрода и точек образующей цилиндрической поверхности кольцевого неразрушаемого электрода, при этом оси электродов располагают перпендикулярно друг другу со смещением, при котором ось вращения разрушаемого электрода смещена наружу относительно торцовой поверхности кольца неразрушаемого электрода на расстояние 0,05…0,08D, причем D - диаметр разрушаемого электрода.
D
Разработанный способ позволяет получить более однородные частицы порошка как по размерам и форме, так и по стабильности структуры материала частиц, так как зона расплава разрушаемого электрода расположена вплотную к зоне отрыва капель с неразрушаемого электрода, которому вместе с диском сообщают вращение с угловой скоростью, достаточной для формирования на поверхности распыляемого слоя расплава материала толщиной 4…6 мкм. При этом зона  дугового расплавления теоретически описывается  контактом  между электродами в виде линии. Фактически зона дугового расплавления имеет вид вытянутого прямоугольника длиной 0,92…0,95* (0,5) и шириной, несущественно зависящей  от напряжения дуги в диапазоне, пригодном для распыления материалов. Зона распыления (отрыва капель расплава)  находится непосредственно на границе упомянутого прямоугольника, что обеспечивает высокую температуру и, соответственно, жидкотекучесть расплава в момент отрыва капель. Кинематика взаимодействия электродов позволяет уменьшить разброс линейных скоростей отрыва капель, что, в свою очередь, уменьшает размах диаметра капель и, впоследствии,  сужает фракционный состав частиц порошка. Вращение разрушаемого электрода (стержня) вокруг собственной оси позволяет стабилизировать электрическую дугу между электродами и нивелировать влияние структурной неоднородности материала разрушаемого электрода на устойчивость дуги, предотвращает образование на кромке электрода застывшей массы расплава, так называемой «бороды», которая нарушает стабильный процесс распыления и приводит к появлению в порошке крупных оплавленных частиц неправильной формы. Вращение неразрушаемого электрода позволяет  динамически стабилизировать погрешность цилиндрической образующей, по линии которой происходит отрыв капель расплава, усредняя погрешность отклонения образующей от прямолинейности.
Предлагаемое техническое решение позволяет сформировать факел распыляемых частиц с небольшим углом рассеивания, стабилизировать условия кристаллизации мелкодисперсных капель металла, повысить однородность фракционного состава получаемого порошка.
Условием достижения заявленного технического результата является отстояние наружу оси разрушаемого стержня (анода) от торцевой поверхности кольцеобразного катода на расстояние, равное 0,05-0,08 диаметра анода. Разрушаемый электрод взаимодействует с поверхностью неразрушаемого менее чем половиной  диаметра своей торцевой поверхности. Это позволяет сократить разброс скоростей отрыва диспергируемого материала и обеспечить более равномерный фракционный состав частиц, размер которых определяется вышеуказанной скоростью.
Взаимодействие разрушаемого электрода-анода при подаче его к цилиндрической поверхности катода имеет следствием непрерывное разрушение торцевой поверхности анода и формированию ее заново. При этом электрическая дуга располагается между меньшей по площади частью торца анода и внешней цилиндрической поверхностью неразрушаемого катода. Если смещение оси вращения анода относительно торцевой поверхности катода превышает 0,08 диаметра разрушаемого стержня, то на торце последнего формируется выступ (аналогичный грату), в результате чего электрическая дуга начинает взаимодействовать с торцевой поверхностью катода, что ведет к изменению скоростей разлета частиц и их фракционному составу. Кроме того, меняется плотность тока дуги, форма и площадь зоны контакта электродов, а также это ведет к неравномерному износу и искажению формы поверхности неразрушаемого электрода.
При смещении оси разрушаемого электрода менее чем на 0,05 его диаметра от торцевой поверхности катода зона воздействия электрической дуги на торцевую поверхность анода выходит за ось вращения разрушаемого электрода, захватывая зону торца, вектор линейной скорость точек которой противонаправлен вектору линейной скорости точек цилиндрической образующей кольцевого электрода, что ведет к появлению частиц, вектор скорости которых при отрыве направлен противоположно вектору линейной скорости точек поверхности неразрушаемого электрода. Это ведет к значительному разбросу размеров диспергируемых частиц и попаданию части из них на угловую кромку и торцевую поверхность кольцевого электрода с формированием на ее кромке наростов («бороды»), отрицательно влияющих на стабильность процесса диспергирования, и ведет к появлению в конусе распыления крупных частиц неправильной формы.
Принципиальная схема реализации способа приведена на фиг. 1, а на фиг. 2 показана схема подвода разрушаемого стержня к катоду.
Предлагаемый способ поясняется конструктивной схемой (фиг.1).
Неразрушаемый электрод 1, выполненный в форме кольца из графита, устанавливают на диск 2, закрепленный на валу 3, который смонтирован с возможностью вращения в подшипниковом узле  4. Разрушаемый электрод 5 из распыляемого материала выполнен в форме цилиндрического стержня и установлен с возможностью вращения вокруг собственной оси в опоре 6 и осевого перемещения для сближения с электродом 1. Электроды размещают в камере 7, которая предназначена для заполнения инертным газом, например, аргоном, и сбора порошка. Камера 7 снабжена крышкой 8 и съемным поддоном 9. Неразрушаемый электрод 1 соединен с отрицательным полюсом источника питания (на схеме не показан), т.е. является катодом, а разрушаемый электрод 2 – с положительным полюсом, т.е. представляет собой анод электрической цепи.
Способ осуществляют следующим образом. В камеру 1 подают инертный газ. Перемещают разрушаемый электрод 5 к неразрушаемому (графитовому) электроду 1 до возникновения электрической дуги между электродами.
S
1
2
Включают рабочую осевую подачу  электрода 5 для поддержания электрической дуги, одновременно сообщают электроду 1, установленному на диске 2, вращение от вала 3 с угловой скоростью ω в опоре 4 (привод вращения вала на схеме не показан) и разрушаемому электроду 5 вращение вокруг собственной оси в опоре 6 с угловой скоростью ω в направлении, таком, чтобы векторы скоростей диспергируемых частиц и точек на поверхности катода в зоне контакта совпадали.
Под действием электрической дуги металл на разрушаемом электроде 5 разрушается. Образовавшийся расплав под действием центробежных сил, возникающих при вращении диска 2, распыляется в виде мелких капель, которые приобретают сферическую форму, охлаждаются и кристаллизуются в полете в атмосфере инертного газа в камере 7.
Образовавшийся порошок попадает в ловушку 9, соответствующую размерам факела распыления.
Сообщение разрушаемому электроду (стержню) вращения вокруг собственной оси способствует сохранению стабильной формы катодного пятна дуги и формы поверхности контакта разрушаемого электрода в зоне отрыва капель металла. Вращение разрушаемого электрода обеспечивает стабильное условие горения дуги в зоне катодного пятна, нивелируя различия в структуре материала разрушаемого электрода.
Сонаправленность векторов линейной скорости точек зоны контакта торца разрушаемого электрода и точек образующей цилиндрической поверхности кольцевого неразрушаемого электрода позволяет сократить разброс скоростей отрыва  с цилиндрической поверхности кольцевого электрода, отрыв капель расплавленного металла происходит по линии образующей цилиндра. Длина границы участка, где происходит сход частиц расплава, составляет не более 0,975…0,99 от  радиуса торца разрушаемого электрода и имеет стабильную в динамике геометрию, поскольку неразрушаемый электрод вращается с высокой скоростью, обладает гироскопическим моментом. Погрешности геометрии цилиндрической поверхности, различные на ее участках при измерении в статике, при вращении электрода образуют усредненную погрешность поверхности на участке схода расплава с кромки (диспергирования). В целом, при одинаковой точности изготовления цилиндрической поверхности, динамическая погрешность положения окружности в предлагаемом способе несколько выше, однако, она неизменна для всего сходящего с катода потока.
S
Перемещение разрушаемого электрода с осевой подачи  в течение всего цикла обработки обеспечивает стабильное горение электрической дуги до полного расплавления рабочей части электрода. Затем процесс останавливают, устанавливают новый электрод 5 и повторяют процесс получения порошка. По мере заполнения ловушки 9 производят выгрузку порошка.
Примеры
1. Медь
При отладке стенда модельным диспергируемым материалом служила медь М1, пруток матовый тянутый диаметром 8 мм по ГОСТ1535-2006 с примесями по ГОСТ 859-2001.
3
-1
Теплота плавления 205000 Дж/кг, теплоемкость 390-545 Дж/(кг⋅K), теплота кипения 4800 Дж/кг, плотность 8940 кг/м, температура плавления  1083°С, исходная температура медного электрода 24°С. Подача электрода 0,1 мм/об. Обороты 3000 мин.
Рассчитана предельно допустимая мощность дуги, составившая 1.7 кВт. При напряжении 28 В, ток 61 А. Смещение оси электрода относительно торцовой плоскости кольцевого электрода составило 0,5 мм. В результате получен порошковый материал с размером частиц от 34 мкм до 60 мкм. Мелкая фракция практически отсутствовала (единичные частицы).
При смещении 0,38 мм происходило визуально заметное перемещение искр/капель расплава в направлении, обратном скорости поверхности кольца, формирование на кромке «бороды» расплава с последующим отрывом. В результате получен порошковый материал с размером частиц от 29 мкм до 217 мкм. При смещении оси разрушаемого электрода 0,7 мм в течение 2 минут произошло недопустимое скругление кромки кольцевого электрода, что привело к нарушению условий формирования дуги. Эксперимент был остановлен, достаточное для измерения количество порошкового материала не получено.
2. Вольфрам
-1
Для изготовления мелкодисперсного порошка тугоплавкого материала модельным материалом разрушаемого электрода служила вольфрамовая проволока ВРН-П-А-1500 диаметром 5 мм, подача электрода S = 0,1 мм/об, обороты 3000 мин.
С
Т
Т
пл
и
3
Для вольфрама принималась теплота плавления λ = 205000 Дж/кг, теплоемкость  = 147 Дж/(кг⋅K), температура плавления  = 3422°С, исходная температура электрода  = 24°С, плотность материала ρ = 19250 кг/м.
Мощность электрической дуги, достаточная для расплавления вольфрамового стержня, составила 2,6 кВт.
Эксперимент с током 102 А и напряжением 24 В при смещении оси электрода относительно торцовой плоскости кольцевого электрода 0,3 мм позволил получить порошковый материал с размером частиц от 14, 3 до 61,2 мкм.
При смещении оси разрушаемого электрода 0,23 мм на кромке кольцевого электрода произошло формирование «бороды» расплава с последующим ее отрывом размер частиц при этом составил 12,9 …368 мкм.
При смещении оси разрушаемого электрода 0,65 мм в течение 40-45 секунд произошло недопустимое скругление кромки кольцевого электрода, что привело к нарушению условий формирования дуги. Эксперимент был остановлен, достаточное для измерения количество порошкового материала не получено.
Источники информации
1. Патент РФ № 2446915, В22F 9/10. Способ получения порошка тугоплавкого материала и устройство для его осуществления / А.Ю.Вахрушин, Б.В.Сафронов, А.П.Чуканов, Р.А.Шевченко // Опубл. 10.04.2012, БИ №10.
2. Патент РФ № 2395369, В22F 9/12. Способ получения мелкодисперсных порошков / А.А.Лисенков, В.Д.Гончаров, В.Д.Гончаров, С.В.Гончаров, И.Г.Скачек // Опубл. 27.07.2012, БИ №21.
3. Патент РФ № 2708200, В22F 9/12. Плазменно-дуговой реактор с расходуемым катодом для получения порошков металлов, сплавов и их химических соединений / О.А.Чухланцев, Д.О.Чухланцев, В.И.Ясевич // Опубл. 05.12.2019, БИ №34.
4. Патент РФ № 2173609, В22F 9/08. Способ получения порошков высокореакционных металлов и сплавов и устройство для его осуществления / Н.Ф.Аношкин, А.Ф.Егоров, А.В.Александров // Опубл. 20.09.2001, БИ №26.
5. Д. Л. Ревизников, В. В. Русаков «Теплообмен и кинетика кристаллизации частиц расплава при интенсивном охлаждении» (Матем. моделирование, 1999, т. 11, № 2, с. 55–64).