Способ получения композиционного ультрадисперсного порошка

Способ получения композиционного ультрадисперсного порошка

Реферат

Изобретение относится к металлургической промышленности и другим отраслям, где используются алюминиевый чугун, карбид и оксид алюминия в качестве присадок и раскислителей.

Известен способ получения композиционного материала алюминий-карбид кремния (Патент РФ №2348719, МПК С22С 1/10, С22С 21/00, опубл. 10.03.2009), который относится к области литейного производства и может быть использован для получения отливок и заготовок для обработки давлением из композиционного материала с алюминиевой матрицей, упрочненной карбидокремниевыми включениями. Проводят плавку алюминиево-кремниевого сплава и его обработку углекислым газом. Получают литейные отливки композиционного материала.

Известен способ получения алюминия из его оксида (Патент РФ №2163268, МПК С22И 5/10, опубл. 20.02.2001), который включает формирование реакционного объема расплава на основе фторидов металлов, наложение на расплав электрического тока, загрузку шихты, содержащей оксид алюминия, и его выделение из реакционного объема. На расплав накладывают переменный электрический ток, алюминий восстанавливают при температуре 1000-1100°С, а восстановителем служит углерод графитовых электродов, при этом в качестве фторидов металлов используют криолит. При осуществлении способа исключается образование карбида и оксикарбидов алюминия и использование постоянного тока.

Известен интегрированный процесс непрерывного теплового синтеза нанопорошков (Патент США №5851507, МПК B22F 9/02, опубл. 22.12.1998) из различных материалов, включающий предварительный прогрев материала паром и охлаждение паровой фазы. Прогретый материал, находящийся во взвеси несущего газа, постоянно выпаривается в тепловой реакционной камере в условиях, способствующих ядрообразованию. После стадии ядрообразования паровой поток равномерно охлаждается со скоростью около 1000 К/с, блокируя последующий рост ядровых частиц и создавая взвесь нанопорошка в узком диапазоне разброса наночастиц. Нанопорошок затем собирают путем фильтрации из паровой фазы, и несущая среда очищается, сжимается и рециклирует для смешивания с новой порцией прогретого материала. Такой процесс хотя и рассчитан на получение нанопорошков из многих материалов, но технологически сложен, требует использования специального оборудования.

Известен способ получения мелкозернистых порошков (Анашкин Н.С., Павленко С.И. Кн. Мартеновские шлаки и их использование в металлургии и других отраслях народного хозяйства. - Новосибирск, Со РАН, 2006. - 136 с.). Разработана технология извлечения железа и его оксидов из шлаков мартеновского производства, в которой использован плазмохимический синтез и измельчение шихты на мельницах-активаторах. Полученные порошки имеют крупные частицы и предназначены для утилизации отходов мартеновского производства в качестве заполнителей мелкозернистых бетонов и закладочных смесей для заполнения выработанных пространств шахт и рудников. Недостатками также являются большие энергетические затраты и расходы при производстве порошков и использование уникального оборудования.

Наиболее близким по составу компонентов является способ получения алюминиевого чугуна, карбида и оксида алюминия (Селянин И.Ф. Термоэлектрические и термомагнитные свойства синтетических чугунов в зависимости от концентрации графитизирующего и отбеливающего элемента // Дис. на соиск. уч. ст.канд. техн. наук. - Новокузнецк, 1968. - С.61-74; Бобро Ю.Г. Алюминиевые чугуны. - Харьков. ХТУ, 1964), в котором сплав Fe-Al-C из исходных компонентов выплавляют в печи Таммана в составе, % мас.: Аl (26-32); С (0,8-1,3); Fe (остальное), а при кристаллизации сплава образуется сложная карбидоподобная фаза FeAlC_n и карбид алюминия Аl₄С₃, сплавы которых называют алюминиевыми чугунами, где углерод находится в связанном состоянии.

Недостатком способа для целей изобретения является отсутствие стадий получения ультрадисперсного порошка.

Задачей изобретения является получение композиционного ультрадисперсного порошка из алюминиевого чугуна, частицы которого имеют большую удельную поверхность и лучшие модифицирующие свойства при выплавке алюминиевых чугунов и силуминов, а также упрощение технологии изготовления такого порошка по сравнению с аналогами.

Решение поставленной задачи достигается тем, что при получении композиционного ультрадисперсного порошка путем разливки расплава, содержащего 26-38 мас.% алюминия, 0,86-1,2 мас.% углерода, железо - остальное, предлагается расплав разливать по поверхности чугунного листа тонким слоем, охлаждать до комнатной температуры, дробить на мелкие фрагменты, помещать в паровую камеру с температурой более 100°С и влажностью 15-20%, выдерживать в течение 1-2 часов, охлаждать на воздухе и в результате получать композиционный ультрадисперсный порошок с размером частиц 10²-10³ нм, содержащих FeAlC_n, карбид алюминия и оксид алюминия. При этом разливку расплава по поверхности чугунного листа выполняют толщиной 1-2 мм. И дробление охлажденного слоя выполняют на фрагменты 3-10 мм.

Способ осуществляется следующим образом.

Стальная обрезь состава, % мас.: 0,8-14% С; 0,05% Si, остальное железо, загружается в тигель из аллунда, помещается в печь Таммана, расплавляется и легируется путем добавки алюминиевой проволоки до состава 26-32% Аl. Расплав в процессе легирования перемешивают аллундовой трубкой, а затем разливают на чугунном листе тонким слоем толщиной 1-2 мм, охлаждают на воздухе до комнатной температуры и дробят на фрагменты размером 3-10 мм.

Раздробленную фракцию помещают в закрытую металлическую емкость - паровую камеру - размером 0,01-0,02 м³, через которую пропускают горячий воздух с температурой 110-120°С, увлажненный до 15-20% по объему, и выдерживают в паровой ванне 1-2 часа. За это время в указанных условиях фракция превращается в композиционный ультрадисперсный порошок с размером частиц 10²-10³ нм, содержащих FeAlC_n, Аl(ОН)₃, Аl₂О₃.

Металлографический и рентгенофазный анализ показывает, что карбид алюминия Аl₂О₃ легко взаимодействует с влагой воздуха при комнатной температуре по реакции:

Аl₄С₃+12Н₂O→4Аl(ОН)₃+CH₄↑

В результате продукты реакции имеют объем, в 10³ раз больший объема исходных веществ, при этом массивные образцы сплавов рассыпаются в тонкодисперсный порошок с размером частиц 10²-10³ нм, состоящих из смеси FeAlC_n, Аl(ОН)₃, Аl₂О₃.

При нагревании смеси до 100°С гидроксид алюминия разлагается

2Аl(ОН)₃→Аl₂O₃+3Н₂О

С увеличением концентрации алюминия от 27 до 32% количество карбида алюминия возрастает. Если количество карбида алюминия Аl₂О₃ возрастает, то ультрадисперсный порошок повышает свою дисперсность. Экспериментально установлено, что при разливе тонким слоем 1-2 мм и помещении дробленых фрагментов 3-10 мм в паровую камеру с температурой более 100°С и влажностью 15-20% при кристаллизации получается композиционный ультрадисперсный порошок с размером частиц 10²-10³ нм, который при последующем остывании на воздухе рассыпается.

Слой разливки толщиной более 2 мм нецелесообразен ввиду того, что он хуже поддается дроблению и требует больших энергетических затрат.

При температуре менее 100°С и давлении Р=1,01×10⁵ Па (нормальное атмосферное давление) пар превращается в воду и скорость разложения карбида углерода резко снижается.

При температуре выше 150°С, увеличении влажности воздуха более 20% и при выдержке более двух часов резко увеличиваются энергетические затраты на образование и поддержание необходимых параметров пара.

В результате получают ультрадисперсный порошок, содержащий FeAlC_n, Аl(ОН)₃, Аl₂О₃, из расплава, содержащего алюминиевый чугун, на простом оборудовании в мягких технологических условиях, обладающий большой адгезионной способностью к газам в металлических расплавах, большими модифицирующими свойствами и применяется как модификатор для чугунов и силуминов для повышения механической прочности и пластичности.

Пример.

Для приготовления расплава композиционного материала берут стальную обрезь состава, мас.%: 10С, 0,05, остальное Fe, загружают в тигель из аллумина, помещают в печь Таммана, расплавляют и легируют добавкой алюминия в количестве 30% от состава расплава, который перемешивают аллундовой трубкой и затем разливают на чугунном листе слоем 2 мм, охлаждают на воздухе до комнатной температуры и дробят на фрагменты 3-10 мм. Раздробленные фрагменты помещают в металлическую емкость размером 0,02 м³, через которую пропускают горячий воздух с температурой 120°С, увлажненный до 20%, и выдерживают в паровой ванне 2 часа, и в результате получают порошок смеси алюминиевого чугуна, карбида и оксида алюминия с размером частиц преимущественно 10² нм.

Примеры других технологических параметров получения данных композиционных соединений приведены в таблице.

Таблица
Примеры технологических параметров способа
Примеры	Температура паровой камеры, °С	Влажность паровой камеры, %	Время выдерживания, ч	Дисперсность порошка, нм
1	100	15	1,0	103
2	120	18	1,5	103
3	150	20	2,0	102
4	180	30	2,5	102

1. Способ получения композиционного ультрадисперсного порошка, включающий разливку расплава, содержащего 26,0-32,0 мас.% алюминия, 0,86-1,30 мас.% углерода, железо - остальное, по поверхности чугунного листа тонким слоем, охлаждение его до комнатной температуры и дробление на куски, которые помещают в паровую камеру с температурой более 100°С и влажностью 15-20%, выдерживают в течение 1-2 ч и охлаждают на воздухе с получением композиционного ультрадисперсного порошка с размером частиц 10²-10³ м, содержащих FeAlC_n, карбид алюминия и оксид алюминия.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разливку расплава по поверхности чугунного листа алюминиевого чугуна выполняют толщиной 1-2 мм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дробление охлажденного слоя выполняют с получением кусков размером 3-10 мм.