СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО НАНОПОРОШКА ИЗ ОТХОДОВ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ В КЕРОСИНЕ
METHOD OF PRODUCING METAL NANOPOWDER FROM WASTES OF HIGH SPEED STEEL IN KEROSENE

Предлагаемое изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к получению нанопорошков.
Известны похожие способы получения металлического порошка, которые основываются на физико-химических процессах. Например, способ получения металлического порошка путем образования между частицами дуговых разрядов в диэлектрической жидкости (патент Россия №:2116164, B22F, 1998).
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ получения металлического порошка электроэрозионным диспергированием отходов быстрорежущей стали Р6М5, раскрытый в статье АГЕЕВА Е.В. и др. Рентгеноспектральный микроанализ порошка, полученного из отходов быстрорежущих сталей электроэрозионным диспергированием в водной среде, Вiсник Сумьского нацioнального ограрного унiверситету, Серiя «Механiацiя та автоматизацiя выробничих процессiв», выпуск 10(25), 2013, с. 216-219, [on-line], [найден 17.08.2015 на irbus-nbuv.gov.ua]/ [1].
К недостаткам его можно отнести:
- относительно крупный размер образующихся частиц;
- окисление частиц порошка.
Задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы получать наноразмерные порошки на основе карбида вольфрама со сферической формой частиц.
Поставленная задача решается способом, который включает электроэрозионное диспергирование (ЭЭД) отходов быстрорежущей вольфрамсодержащей стали Р6М5 в реакторе в среде диэлектрической жидкости - в керосине, посредством искровых разрядов между указанными отходами и электродами, состоящими из того же материала, с образованием осадка в виде частиц металлического нанопорошка на дне реактора.
ОПИСАНИЕ
На рисунке 1 схематически представлен процесс ЭЭД: 1 - генератор импульсов; 2, 3 - электроды; 4 - капли расплавленного материала; 5 - рабочая жидкость; 6 - пластины твердого сплава; 7 - канал разряда; 8 - точка разряда, 9 - газовый пузырь.
На рисунках 2-3 представлены снимки с растрового электронного микроскопа «QUANTA 600 FEG», которые были выполнены для изучения формы и размеров микрочастиц.
На рисунке 4 представлены результаты исследований размеров частиц по методу Фраунгофера.
В таблице 1 представлены основные фазы порошка БРС.
Технологический процесс получения нанопорошков из отходов быстрорежущих сталей методом ЭЭД включает следующие операции:
- сбор и сортировка отходов сталей по маркам (химическому составу);
- очистка отходов (от загрязнений, стружки);
- загрузка отходов быстрорежущих сталей в реактор и подключение электродов;
- заливка в реактор рабочей жидкости (воды дистиллированной или керосина осветительного);
- выбор режимов диспергирования;
- электроэрозионное диспергирование;
- отстаивание и слив рабочей жидкости;
- отделение наноразмерной фракции центрифугированием;
- химическая очистка порошка (при необходимости);
- прокаливание порошка в печи при температуре 150-200°С в течение 20-30 минут;
- контроль качества.
Процесс ЭЭД представляет собой разрушение токопроводящего материала в результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами [2]. В зоне разряда под действием высоких температур происходит 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 - десятки тысяч градусов. В точках, в которых разрядный канал опирается на электроды, происходит 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 выбрасывается из зоны разряда в рабочую среду, окружающую его, и застывает 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, 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.
Порошковые материалы, получаемые ЭЭД отходов быстрорежущей стали, 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 инструмента из быстрорежущей стали.
Пример.
На экспериментальной установке в керосине диспергировали отходы быстрорежущей стали марки Р6М5. При этом изменяли электрические параметры установки:
- частота следования импульсов 100 Гц;
- напряжение на электродах 200 В;
- емкость конденсаторов 55 мкФ.
Импульсное напряжение генератора 1 прикладывается к электродам 2 и 3 и далее к отходам быстрорежущей стали 6 (в качестве электродов служат сверла из быстрорежущей стали). 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 (фиг. 1). 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.
При помощи растрового электронного микроскопа «QUANTA 600 FEG» был проведен непосредственный анализ частиц порошка с достаточно высоким разрешением. Было установлено, что порошок, полученный методом ЭЭД из отходов БРС, состоит из частиц правильной сферической формы (или эллиптической), неправильной формы (конгломератов) с размером частиц от 0,01 мкм до 50 мкм.
Рентгеноспектральный микроанализ, исследование элементного состава образцов порошка проводили на электронно-ионном сканирующем (растровом) микроскопе с полевой эмиссией электронов «QUANTA 600 FEG» и энерго-дисперсионного анализатора рентгеновского излучения фирмы «EDAX». Было установлено, что исследуемый образец порошка БРС в качестве основных минералов содержит железо, оксиды и карбид железа, также присутствует в небольшом количестве вольфрам.
Предлагаемый способ получения металлического порошка из отходов быстрорежущей стали в керосине дает следующие преимущества по сравнению с известными способами:
- достигается малый средний размер и сферическая форма частиц;
- размер частиц зависит от параметров процесса, которые регулируются установкой, а не от размеров ячеек сетки;
- регулировка параметров может проводиться без остановки процесса;
- обеспечивается чистота состава полученного порошка от примесей,
так как отсутствует сетка, а электроды сделаны из того же металла, что и рабочий материал.
Источники информации
1. Агеева Е.В. и др. Рентгеноспектральный микроанализ порошка, полученного из отходов быстрорежущих сталей электроэрозионным диспергированием в водной среде // Вicник Сумьского национального ограрного унiверситету, Серiя «Механiзацiя та автоматизацiя выробничих процессiв», выпуск 10(25), 2013, с. 216-219, [on-line], [найден 17.08.2015 на irbus-].
2. Немилов Е.Ф. Электроэрозионная обработка материалов. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1983. - 160 с.