RU2754226C1 - Method for obtaining fine metal powder - Google Patents
Method for obtaining fine metal powder Download PDFInfo
- Publication number
- RU2754226C1 RU2754226C1 RU2020138344A RU2020138344A RU2754226C1 RU 2754226 C1 RU2754226 C1 RU 2754226C1 RU 2020138344 A RU2020138344 A RU 2020138344A RU 2020138344 A RU2020138344 A RU 2020138344A RU 2754226 C1 RU2754226 C1 RU 2754226C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrode
- destructible
- destroyed
- melt
- indestructible
- Prior art date
Links
- 239000000843 powder Substances 0.000 title claims abstract description 38
- 238000000034 method Methods 0.000 title description 20
- 229910001111 Fine metal Inorganic materials 0.000 title 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 28
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 claims abstract description 14
- 239000013598 vector Substances 0.000 claims abstract description 9
- 230000009471 action Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 claims abstract description 7
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims abstract description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 13
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 abstract description 31
- 238000000926 separation method Methods 0.000 abstract description 16
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 15
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 8
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 7
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 4
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 4
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 3
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 108010085603 SFLLRNPND Proteins 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 2
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 239000011819 refractory material Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 239000013590 bulk material Substances 0.000 description 1
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 1
- 230000003472 neutralizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000007306 turnover Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
- B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
- B22F9/14—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes using electric discharge
Landscapes
- Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)
Abstract
Description
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.The invention relates to the production of powders of metals and their alloys and can be used to obtain raw materials for metal and hard-alloy products, as well as wear-resistant surfacing coatings by powder metallurgy methods.
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].Various methods and devices are known for producing powders of materials by dispersing the melt, in which, to form fine particles, the metal melt is influenced by centrifugal forces or by the flow of an energy carrier (gas or liquid) [1], [2], [3].
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-1 и высокая степень неоднородности фракционного состава порошков.According to the patent [1], solid bulk material is fed into a rotating crucible and melted by a plasma arc between the crucible and the cathode of a plasma-arc heating source, and the resulting melt is sprayed by centrifugal forces arising from the rotation of the crucible until small droplets are formed, which crystallize upon cooling. The disadvantages of this method are the limitation of the possibility of obtaining fine particles, since the average particle size of the powder is 0.3 ... 0.2 μm at a crucible speed of 3000 to 5000 min -1 and a high degree of heterogeneity of the fractional composition of the powders.
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. In the method according to the patent [2], a vacuum-arc discharge is created, and the cathode is used from the metal of the powder used. The metal is evaporated and the metal vapor is condensed on the cooling substrate, and the temperature in the cathode spot is maintained by regulating the discharge current of the switching power supply. A short-term increase in the temperature of the cathode spot promotes more intense evaporation of the cathode material and makes it possible to obtain powder particles with sizes from several micrometers to fractions of a micrometer. The disadvantage of this method is the problematic nature of obtaining spheroidal particles, since when hitting a massive substrate, particles with sizes of several micrometers or less get a hemispherical shape, and larger particles acquire an almost flat middle region surrounded by a higher ring of molten metal.
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).The device according to the patent [3] implements the technology of producing a powder, in which a wire is used as a consumable electrode (cathode), and the second stationary electrode is made in the form of a sleeve with internal counter-guided conical surfaces forming a spraying chamber. When the electrodes approach each other, an electric arc discharge occurs, which leads to melting and evaporation of the consumable electrode (wire).
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. The dispersing flow of inert gas separates the metal droplets from the end of the wire. Metal droplets and vapors pass through the plasma arc and acquire a spherical shape under the action of surface tension forces, cool in a flow of dispersing gas and crystallize.
Размер капель зависит от параметров сопла, через который подают диспергирующий газ, расстояния до торца проволоки (электрода).The droplet size depends on the parameters of the nozzle through which the dispersing gas is supplied, the distance to the end of the wire (electrode).
Соотношение капель и паров в камере распыления зависит от мощности электрической плазменной дуги, скорости подачи проволоки, давлении газа в камере распыления.The ratio of droplets and vapors in the spraying chamber depends on the power of the electric plasma arc, wire feed speed, and gas pressure in the spraying chamber.
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.The disadvantage of this technology is the high inhomogeneity of the particles of the resulting powder, which is due to a wide range of scattering of particle sizes when spraying a vapor-droplet mixture of a metal with a gas flow and various conditions of crystallization of particles from vapor and the liquid phase of the sprayed metal.
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.The closest to the claimed invention is a method for producing metal powders [4], in which plasma-arc melting of a consumable electrode is carried out, molten metal is supplied from the crucible to a fast-rotating atomizer and the melt is sprayed by centrifugal forces, and the melt is additionally heated in the crucible with a plasma jet.
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.The disadvantage of the prototype is the high range of the fractional composition of the powders. This is due to the considerable distance from the melting zone of the metal to the edge of the atomizer, where the separation of melt drops occurs under the action of centrifugal forces. Moving the molten metal to the periphery of the rotating disk atomizer at a distance many times greater than the thickness of the minimum metal layer leads to its uneven cooling and is accompanied by different conditions for the formation of particle sizes during dispersion after detachment from the edge of the atomizer. In addition, the formation of ultradispersed metal particles with a size of 0.8 ... 10 microns is significantly influenced by errors in the shape and microrelief of surfaces, which forms the edge of the atomizer, from which there is a separation of melt droplets comparable to the size of powder particles. Errors in the shape and microrelief of the disk edge surface, when the molten metal is dispersed along the entire perimeter of the disk atomizer, disturbs the stability of the process of separation of melt drops from different parts of the edge. This leads to the formation of powder particles of various sizes and shapes during the dispersion and subsequent crystallization of metal droplets after detachment from the edge of the atomizer and flying in an inert gas environment.
Указанные недостатки принципиально ограничивают область применения известных способов получения мелкодисперсных порошков для изготовления ответственных твердосплавных изделий или нанесения тонких износостойких покрытий.These disadvantages fundamentally limit the field of application of the known methods of obtaining fine powders for the manufacture of critical hard-alloy products or the application of thin wear-resistant coatings.
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.The technical result of the claimed invention is to improve the quality of the resulting powder by obtaining homogeneous particles with stable dimensions and shape and reduce heat losses by reducing the distance between the melting zone of the destroyed electrode and the zone of separation of melt drops, reducing the range of linear velocities of separation and dynamic stabilization of the surface geometry from which separation of the melt drops occurs.
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 ω1, а упомянутому разрушаемому электроду, выполненному в виде стержня, - с угловой скоростью ω2, 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.The technical result is achieved by the fact that the production of a finely dispersed metal powder is carried out according to a method including supplying a destructible electrode in the form of an anode made of a finely dispersed powder to the surface of an indestructible electrode in the form of a cathode, supplying current and voltage to the electrodes for the occurrence of an electric arc between them with a power, sufficient for the formation of a melt of the metal material of the destructible electrode and sputtering of the said melt under the action of centrifugal forces until the formation of fine droplets with their crystallization upon cooling in flight, characterized in that said indestructible electrode, made in the form of a ring, mounted on a disk, is imparted with rotation around its own axis with an angular velocity ω 1 , and the mentioned destructible electrode, made in the form of a rod, with an angular velocity ω 2 , while contacting the destructible electrode with the indestructible one is less than half the diameter of the end surfaces with the direction of the rotational speed of the destroyed electrode, ensuring the co-directionality of the vectors of the linear velocity of the points of the contact zone of the end face of the destroyed electrode and the points of the generatrix of the cylindrical surface of the annular indestructible electrode, while the axes of the electrodes are arranged perpendicular to each other with an offset, at which the axis of rotation of the electrode to be destroyed is displaced outward relative to the end surface rings of the indestructible electrode at a distance of 0.05 ... 0.08D, and D is the diameter of the electrode to be destroyed.
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* (0,5D) 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. The developed method makes it possible to obtain more uniform powder particles both in size and shape, and in the stability of the structure of the particle material, since the melt zone of the destructible electrode is located close to the zone of droplet separation from the indestructible electrode, which, together with the disk, is imparted with rotation at an angular velocity sufficient for formation on the surface of the sprayed melt layer of material with a thickness of 4 ... 6 microns. In this case, the zone of arc melting is theoretically described by a contact between the electrodes in the form of a line. In fact, the arc melting zone has the form of an elongated rectangle with a length of 0.92 ... 0.95 * (0.5 D ) and a width that does not significantly depend on the arc voltage in the range suitable for spraying materials. The spray zone (separation of melt droplets) is located directly on the border of the said rectangle, which provides a high temperature and, accordingly, the fluidity of the melt at the moment of droplet separation. The kinematics of the interaction of the electrodes makes it possible to reduce the spread of the linear velocities of droplet detachment, which, in turn, reduces the droplet diameter swing and, subsequently, narrows the fractional composition of the powder particles. Rotation of the destroyed electrode (rod) around its own axis allows stabilizing the electric arc between the electrodes and neutralizing the effect of structural inhomogeneity of the material of the destroyed electrode on arc stability, prevents the formation of a solidified melt mass, the so-called "beard" on the electrode edge, which disrupts the stable spraying process and leads to the appearance in the powder of large melted particles of irregular shape. The rotation of the indestructible electrode makes it possible to dynamically stabilize the error of the cylindrical generatrix, along the line of which the melt drops are detached, averaging the error in the deviation of the generatrix from straightness.
Предлагаемое техническое решение позволяет сформировать факел распыляемых частиц с небольшим углом рассеивания, стабилизировать условия кристаллизации мелкодисперсных капель металла, повысить однородность фракционного состава получаемого порошка.The proposed technical solution makes it possible to form a torch of sprayed particles with a small scattering angle, stabilize the crystallization conditions of finely dispersed metal droplets, and increase the uniformity of the fractional composition of the resulting powder.
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.The condition for achieving the claimed technical result is the outward distance of the axis of the rod (anode) to be destroyed from the end surface of the annular cathode by a distance equal to 0.05-0.08 of the anode diameter. The destructible electrode interacts with the surface of the indestructible in less than half the diameter of its end surface. This makes it possible to reduce the spread of the speed of separation of the dispersed material and to provide a more uniform fractional composition of particles, the size of which is determined by the above speed.
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.The interaction of the destroyed electrode-anode when it is fed to the cylindrical surface of the cathode results in continuous destruction of the end surface of the anode and its formation anew. In this case, the electric arc is located between the smaller area of the end of the anode and the outer cylindrical surface of the indestructible cathode. If the displacement of the axis of rotation of the anode relative to the end surface of the cathode exceeds 0.08 of the diameter of the destroyed rod, then a protrusion (similar to a burr) is formed at the end of the latter, as a result of which the electric arc begins to interact with the end surface of the cathode, which leads to a change in the velocities of particle expansion and their fractional composition. In addition, the arc current density, the shape and area of the contact zone of the electrodes change, and this also leads to uneven wear and distortion of the shape of the surface of the indestructible electrode.
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.When the axis of the electrode to be destroyed is displaced by less than 0.05 of its diameter from the end surface of the cathode, the zone of action of the electric arc on the end surface of the anode goes beyond the axis of rotation of the electrode to be destroyed, capturing the zone of the end, the vector of the linear velocity of the points of which is opposite to the vector of the linear velocity of the points of the cylindrical generatrix of the annular electrode , which leads to the appearance of particles, the velocity vector of which during separation is directed opposite to the vector of the linear velocity of points on the surface of the indestructible electrode. This leads to a significant spread in the sizes of dispersed particles and the ingress of some of them on the corner edge and end surface of the annular electrode with the formation of growths ("beards") on its edge, which negatively affect the stability of the dispersion process, and leads to the appearance in the spray cone of large particles of irregular forms.
Принципиальная схема реализации способа приведена на фиг. 1, а на фиг. 2 показана схема подвода разрушаемого стержня к катоду.A schematic diagram of the implementation of the method is shown in Fig. 1, and in FIG. 2 shows a diagram of the supply of the destructible rod to the cathode.
Предлагаемый способ поясняется конструктивной схемой (фиг.1).The proposed method is illustrated by a constructive diagram (figure 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.The indestructible electrode 1, made in the form of a ring made of graphite, is mounted on the
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.The method is carried out as follows. An inert gas is fed into the chamber 1. The destructible electrode 5 is moved to the indestructible (graphite) electrode 1 until an electric arc occurs between the electrodes.
Включают рабочую осевую подачу S электрода 5 для поддержания электрической дуги, одновременно сообщают электроду 1, установленному на диске 2, вращение от вала 3 с угловой скоростью ω1 в опоре 4 (привод вращения вала на схеме не показан) и разрушаемому электроду 5 вращение вокруг собственной оси в опоре 6 с угловой скоростью ω2 в направлении, таком, чтобы векторы скоростей диспергируемых частиц и точек на поверхности катода в зоне контакта совпадали.The working axial feed S of the electrode 5 is switched on to maintain the electric arc, while the electrode 1 mounted on the
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.Under the action of an electric arc, the metal on the destructible electrode 5 is destroyed. The resulting melt under the action of centrifugal forces arising from the rotation of
Образовавшийся порошок попадает в ловушку 9, соответствующую размерам факела распыления.The resulting powder falls into a trap 9 corresponding to the dimensions of the spray torch.
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.The message to the destructible electrode (rod) of rotation around its own axis helps to maintain a stable shape of the cathode spot of the arc and the shape of the contact surface of the destructible electrode in the zone of separation of metal drops. The rotation of the destructible electrode provides a stable condition for arc burning in the cathode spot area, leveling the differences in the structure of the destructible electrode material.
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.The co-directionality of the vectors of the linear velocity of the points of the contact zone of the end face of the destroyed electrode and the points of the generatrix of the cylindrical surface of the annular indestructible electrode makes it possible to reduce the spread of the rates of separation from the cylindrical surface of the annular electrode; the separation of molten metal drops occurs along the generatrix of the cylinder. The length of the boundary of the area where the melt particles come down is no more than 0.975 ... 0.99 of the radius of the end face of the electrode to be destroyed and has a geometry that is stable in dynamics, since the indestructible electrode rotates at a high speed and has a gyroscopic moment. Errors in the geometry of a cylindrical surface, which are different in its sections when measured in statics, when the electrode rotates, form an average surface error in the section where the melt leaves the edge (dispersion). In general, with the same accuracy of manufacturing a cylindrical surface, the dynamic error in the position of the circle in the proposed method is somewhat higher, however, it is unchanged for the entire flow coming from the cathode.
Перемещение разрушаемого электрода с осевой подачи S 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.The movement of the destroyed electrode from the axial feed S during the entire processing cycle ensures stable burning of the electric arc until the working part of the electrode is completely melted. Then the process is stopped, a new electrode 5 is installed and the process of obtaining the powder is repeated. As the trap 9 is filled, the powder is unloaded.
ПримерыExamples of
1. Медь1. Copper
При отладке стенда модельным диспергируемым материалом служила медь М1, пруток матовый тянутый диаметром 8 мм по ГОСТ1535-2006 с примесями по ГОСТ 859-2001.When debugging the stand, copper M1 served as a model dispersible material, a matt drawn rod with a diameter of 8 mm in accordance with GOST 1535-2006 with impurities in accordance with GOST 859-2001.
Теплота плавления 205000 Дж/кг, теплоемкость 390-545 Дж/(кг⋅K), теплота кипения 4800 Дж/кг, плотность 8940 кг/м3, температура плавления 1083°С, исходная температура медного электрода 24°С. Подача электрода 0,1 мм/об. Обороты 3000 мин-1.The heat of fusion is 205000 J / kg, the heat capacity is 390-545 J / (kg⋅K), the heat of boiling is 4800 J / kg, the density is 8940 kg / m 3 , the melting point is 1083 ° C, and the initial temperature of the copper electrode is 24 ° C. Electrode feed 0.1 mm / rev. Turnovers 3000 min -1 .
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).The maximum allowable arc power is calculated as 1.7 kW. At a voltage of 28 V, a current of 61 A. The displacement of the electrode axis relative to the end plane of the annular electrode was 0.5 mm. As a result, a powder material with a particle size of 34 µm to 60 µm is obtained. The fine fraction was practically absent (single particles).
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.With a displacement of 0.38 mm, there was a visually noticeable movement of sparks / melt droplets in the direction opposite to the speed of the ring surface, the formation of a melt on the edge of the "beard" with subsequent separation. The result is a powder material with a particle size of 29 μm to 217 μm. When the axis of the electrode to be destroyed was displaced 0.7 mm within 2 minutes, an unacceptable rounding of the edge of the annular electrode occurred, which led to a violation of the conditions for the formation of the arc. The experiment was stopped, the amount of powder material sufficient for measurement was not obtained.
2. Вольфрам2. Tungsten
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-1.For the manufacture of a finely dispersed powder of a refractory material, a VRN-P-A-1500 tungsten wire with a diameter of 5 mm served as a model material for a destructible electrode, electrode feed S = 0.1 mm / rev, revolutions 3000 min -1 .
Для вольфрама принималась теплота плавления λ = 205000 Дж/кг, теплоемкость С = 147 Дж/(кг⋅K), температура плавления Т пл = 3422°С, исходная температура электрода Т и = 24°С, плотность материала ρ = 19250 кг/м3.For tungsten heat of fusion was assumed to λ = 205000 J / kg specific heat = 147 J / (kg⋅K), melting point Tm = 3422 ° C, the initial temperature of the electrode T u = 24 ° C, ρ = material density 19250 kg / m 3 .
Мощность электрической дуги, достаточная для расплавления вольфрамового стержня, составила 2,6 кВт.The power of the electric arc, sufficient to melt the tungsten rod, was 2.6 kW.
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.An experiment with a current of 102 A and a voltage of 24 V with a displacement of the electrode axis relative to the end plane of the ring electrode of 0.3 mm made it possible to obtain a powder material with a particle size of 14.3 to 61.2 μm.
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.When the axis of the electrode to be destroyed was displaced by 0.23 mm, a “beard” of the melt was formed at the edge of the annular electrode, followed by its detachment, the particle size being 12.9… 368 µm.
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.When the axis of the electrode to be destroyed was displaced 0.65 mm for 40-45 seconds, an unacceptable rounding of the edge of the annular electrode occurred, which led to a violation of the conditions for the formation of the arc. The experiment was stopped, the amount of powder material sufficient for measurement was not obtained.
Источники информацииSources of information
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 №10.1. RF patent No. 2446915, B22F 9/10. A method of obtaining a powder of a refractory material and a device for its implementation / A.Yu. Vakhrushin, B.V. Safronov, A.P. Chukanov, R.A. Shevchenko // Publ. 04/10/2012, BI No. 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 №21.2. RF patent No. 2395369, B22F 9/12. A method of obtaining fine powders / A.A. Lisenkov, V.D. Goncharov, V.D. Goncharov, S.V. Goncharov, I.G. Skachek // Publ. 07/27/2012, BI No. 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 №34.3. RF patent No. 2708200, B22F 9/12. Chukhlantsev O.A., Chukhlantsev D.O., Yasevich V.I. 05.12.2019, BI No. 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 №26.4. RF patent No. 2173609, B22F 9/08. A method of obtaining powders of highly reactive metals and alloys and a device for its implementation / N.F. Anoshkin, A.F. Egorov, A.V. Aleksandrov // Publ. September 20, 2001, BI No. 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). 5. DL Reviznikov, VV Rusakov “Heat transfer and crystallization kinetics of melt particles during intensive cooling” (Mat. Modeling, 1999, vol. 11, No. 2, pp. 55–64).
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020138344A RU2754226C1 (en) | 2020-11-23 | 2020-11-23 | Method for obtaining fine metal powder |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020138344A RU2754226C1 (en) | 2020-11-23 | 2020-11-23 | Method for obtaining fine metal powder |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2754226C1 true RU2754226C1 (en) | 2021-08-30 |
Family
ID=77669905
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020138344A RU2754226C1 (en) | 2020-11-23 | 2020-11-23 | Method for obtaining fine metal powder |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2754226C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114472910A (en) * | 2022-03-02 | 2022-05-13 | 四川真火等离子研究院有限公司 | A method for preparing ultrafine titanium powder by magnetized plasma rotating electrode method |
| RU2806647C2 (en) * | 2022-02-01 | 2023-11-02 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" | Method of electric arc dispersion of refractory material |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1317919A (en) * | 1969-11-14 | 1973-05-23 | Humphreys Corp | High temperature method for treating materials |
| DE3483511D1 (en) * | 1983-04-13 | 1990-12-06 | Nuclear Metals Inc | TURNING ELECTRODE DISC DEVICE FOR PRODUCING METAL POWDER. |
| US5879518A (en) * | 1997-03-28 | 1999-03-09 | Kuehnle; Manfred R. | Method and apparatus for producing small particles of consistent size shape and structure |
| RU2173609C1 (en) * | 2000-06-07 | 2001-09-20 | Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" | Method and apparatus for producing highly reactive metals and alloys |
| RU2446915C2 (en) * | 2010-06-10 | 2012-04-10 | Александр Юрьевич Вахрушин | Method of producing refractory material powder and device to this end |
| RU2581545C2 (en) * | 2014-09-05 | 2016-04-20 | Открытое акционерное общество "Композит" | Production of titanium pellets |
-
2020
- 2020-11-23 RU RU2020138344A patent/RU2754226C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1317919A (en) * | 1969-11-14 | 1973-05-23 | Humphreys Corp | High temperature method for treating materials |
| DE3483511D1 (en) * | 1983-04-13 | 1990-12-06 | Nuclear Metals Inc | TURNING ELECTRODE DISC DEVICE FOR PRODUCING METAL POWDER. |
| US5879518A (en) * | 1997-03-28 | 1999-03-09 | Kuehnle; Manfred R. | Method and apparatus for producing small particles of consistent size shape and structure |
| RU2173609C1 (en) * | 2000-06-07 | 2001-09-20 | Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" | Method and apparatus for producing highly reactive metals and alloys |
| RU2446915C2 (en) * | 2010-06-10 | 2012-04-10 | Александр Юрьевич Вахрушин | Method of producing refractory material powder and device to this end |
| RU2581545C2 (en) * | 2014-09-05 | 2016-04-20 | Открытое акционерное общество "Композит" | Production of titanium pellets |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2806647C2 (en) * | 2022-02-01 | 2023-11-02 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" | Method of electric arc dispersion of refractory material |
| CN114472910A (en) * | 2022-03-02 | 2022-05-13 | 四川真火等离子研究院有限公司 | A method for preparing ultrafine titanium powder by magnetized plasma rotating electrode method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5815684B2 (en) | Spherical powder and method for producing the same | |
| KR102533933B1 (en) | Plasma atomized metal powder manufacturing process and system for plasma atomized metal powder manufacturing process | |
| US20240278324A1 (en) | Method and apparatus for producing high purity spherical metallic powders at high production rates from one or two wires | |
| US4474604A (en) | Method of producing high-grade metal or alloy powder | |
| WO2021073107A1 (en) | Three-dimensional printing method and three-dimensional printing device | |
| EP2654966A1 (en) | Improved thermal spray method and apparatus using plasma transferred wire arc | |
| US4238427A (en) | Atomization of molten metals | |
| RU2754226C1 (en) | Method for obtaining fine metal powder | |
| WO1988001919A1 (en) | Apparatus for producing powder and process for its production | |
| CN114226740B (en) | Centrifugal atomizing powder making method and device | |
| CN115135435B (en) | Device for producing metal powder by centrifugal atomization | |
| JPH0270012A (en) | Device and method for manufacture of fine metallic powder | |
| US5855642A (en) | System and method for producing fine metallic and ceramic powders | |
| RU2413595C2 (en) | Method of producing spherical granules of refractory and chemically active metals and alloys, device to this end and device to fabricate initial consumable billet to implement said method | |
| RU2806647C2 (en) | Method of electric arc dispersion of refractory material | |
| RU2446915C2 (en) | Method of producing refractory material powder and device to this end | |
| RU2746197C1 (en) | Method of producing fine-dispersed powder of refractory material | |
| RU2751609C1 (en) | Method and device for producing powders for additive technologies | |
| RU2760905C1 (en) | Method for producing metal powders or granules | |
| RU2173609C1 (en) | Method and apparatus for producing highly reactive metals and alloys | |
| Kolmakov et al. | Technology for Producing Fine Tungsten Carbide Powders | |
| JPS63210206A (en) | Metal powder manufacturing equipment | |
| Tillmann et al. | Particle size distribution of the filling powder in cored wires: its effect on arc behavior, in-flight particle behavior, and splat formation | |
| RU2779961C2 (en) | Method for formation of particles with homogenous structure in production of fine-dispersed metal powders | |
| SU1639892A1 (en) | Method for production of metal powders |