RU2397024C1 - Method for production of nanosize metal powder - Google Patents

Method for production of nanosize metal powder Download PDF

Info

Publication number
RU2397024C1
RU2397024C1 RU2009120799/03A RU2009120799A RU2397024C1 RU 2397024 C1 RU2397024 C1 RU 2397024C1 RU 2009120799/03 A RU2009120799/03 A RU 2009120799/03A RU 2009120799 A RU2009120799 A RU 2009120799A RU 2397024 C1 RU2397024 C1 RU 2397024C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
powder
amorphous
frequency
grinding
speed
Prior art date
Application number
RU2009120799/03A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Маргарита Александровна Коркина (RU)
Маргарита Александровна Коркина
Евгений Юрьевич Земляницын (RU)
Евгений Юрьевич Земляницын
Борис Владимирович Фармаковский (RU)
Борис Владимирович Фармаковский
Евгений Александрович Самоделкин (RU)
Евгений Александрович Самоделкин
Алексей Филиппович Васильев (RU)
Алексей Филиппович Васильев
Татьяна Андреевна Тараканова (RU)
Татьяна Андреевна Тараканова
Никита Владимирович Маренников (RU)
Никита Владимирович Маренников
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" (ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей")
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" (ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей"), Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" (ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей")
Priority to RU2009120799/03A priority Critical patent/RU2397024C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2397024C1 publication Critical patent/RU2397024C1/en

Links

Landscapes

  • Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: technological processes.
SUBSTANCE: invention refers to the sphere of production of nanosize powder materials. Method for production of nanosize metal powder consists in grinding of hardly-deformed material with amorphous structure in high-speed disintegrator due to relative motion of impact elements with regulated speed and frequency of impacts. Previously material is selected with initial size of particles of not more than 80 micrometre, is thermally treated to form nanocrystalline inclusions in amorphous matrix. Grinding takes place at speed of impact element relative motion equal to 410-450 m/s and frequency of impacts 5000-8000 impact/s.
EFFECT: production of finer powder.
3 cl

Description

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.The invention relates to the field of creating nanosized powder materials by grinding, mixing and mechanical activation of metal amorphous and microcrystalline compositions and can be used in the chemical industry (catalysts, adsorbents for water purification), powder metallurgy (activators of sintering powders), production of cermet, soldering and welding and other areas.

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).Among modern grinding devices, the most suitable for producing nanosized metal powders, from the point of view of achieving a high degree of grinding on them, the intensity of machining (activation) and productivity, are disintegrators, centrifugal and jet mills. In these devices, a free-kick mode is implemented (collision speeds in them can reach 450 m / s).

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.Known methods of grinding materials (1. RU No. 93007674 A, class B02C 19/00, 1995; 2. RU No. 2211090, class B02C 13/22, 2002; 3. SU No. 1766514 A2, class B02C 19/00, 1992), where in order to increase the grinding efficiency, fineness of grinding, various grinding plants and technologies are used. In them, the possibility of transferring mechanical energy to the processed substance largely depends on the design of the installation (disintegrator, mill), as well as grinding conditions: on the speeds of the shock elements, the frequency of collisions of the particles of the processed material. A disadvantage of the known methods is the inability to disperse the particles of the crushed material to the required speed and to provide the required path length and, accordingly, the kinetic energy of the processed particles by controlling the frequency of collisions. These factors ultimately determine the possibility of obtaining a nanoscale powder of the required fraction (3-100) nm.

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.The closest in technical essence and the achieved effect is a method for producing a metal powder of an amorphous structure according to patent SU No. 1560321 A1 (class B02C 19/00, dated 10.12.87). The method for producing the powder consists of a two-stage grinding of the material with an amorphous structure in a high-speed disintegrator due to the relative movement of the shock elements. Hardly deformed metal material is first crushed at a speed of relative movement of the shock elements of 50-130 m / s and a shock frequency of 400-600 beats / s to a particle size of 1-3 mm. Then the crushing product is crushed to the desired fraction (100 μm or less) at speeds of relative movement of the shock elements 250-400 m / s and a frequency of 10000-30000 beats / s. A metal powder of an amorphous structure of a fraction of 2-100 μm is obtained.

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.The disadvantage of this method is the inability to obtain a finer powder, including the desired fraction (3-100) nm. Under the grinding conditions specified in the method (the speeds of the relative motion of the shock elements and the frequency of collisions), it is possible to obtain a minimum particle size of an amorphous powder of only a fraction of 2-10 microns.

Техническим результатом настоящего изобретения является способ получения наноразмерного металлического порошка фракции (3-100) нм из труднодеформируемого материала.The technical result of the present invention is a method for producing a nanoscale metal powder fraction (3-100) nm from a hardly deformable material.

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.It was experimentally established that the technical result is achieved by grinding, under certain conditions, a material with an amorphous structure in a high-speed disintegrator, which can significantly increase the kinetic energy of the impacted particles of the processed powder, at relative speeds of the shock elements 410-450 m / s and impact frequency 5000-8000 beats ./from.

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.In addition, the initial particle size of the selected processed (crushed) amorphous powder should not exceed 80 microns. The structure of such particles should have 30-50% by volume of nanocrystalline inclusions, which, being in the amorphous matrix, are stress concentrators, and disintegration of the powder material occurs over these zones.

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.The formation of nanocrystalline inclusions in the required quantities is carried out due to preliminary heat treatment (crystallization annealing) of the crushed amorphous material at temperatures (0.4-0.6) T of liquidus for at least one hour.

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.Variations in the parameters of the processing mode of the material (the speed of the relative motion of the shock elements and the frequency of collisions) both towards their decrease and towards their increase lead to the impossibility of obtaining nanosized powders of the required fraction.

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).With a decrease in the speed of the relative motion of the shock elements less than 410 m / s and an increase in the frequency of impacts over 8000 beats / s, the minimum fraction of the processed material is 2 μm. With an increase in the relative velocity of the impact elements of more than 450 m / s and a decrease in the frequency of impacts of less than 5000 beats / s, an intensive conglomeration of the resulting particles is observed, which can lead to failure of the rotor system of the disintegrator (sintering and sticking of the processed material to the fingers and rotor of the disintegrator) .

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.Only the fulfillment of these conditions in the proposed method provides for the production of nanosized metal powder fractions (from 3 to 100 nm) from hard-deformed magnetic, wear-resistant, vibration-damping materials and alloys-solders, etc. The obtained nanosized metal powder has unique properties (physical, chemical, mechanical) of nanomaterials .

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.Example 1. To obtain a nanoscale powder of the fraction (50-100) nm, an amorphous powder of the AMAG-200 grade based on iron (Fe-Cu-Nb-Si-B system) of a fraction of 60-80 μm was selected.

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.Pre-amorphous powder is heat treated (crystallization annealing) in a vacuum electric furnace of the type SNVE-1.3.1 / 16 I4 at a temperature (0.4-0.6) T of liquidus for 1 hour to form nanocrystalline inclusions. According to the results of X-ray diffraction analysis, the particles of the annealed powder of the AMAG-200 brand contain a crystalline phase in the form of nanoscale inclusions of 30% by volume.

Далее термообработанный порошок подвергают одноступенчатому измельчению в высокоскоростном дезинтеграторе типа DESI-11. Для предотвращения окисления химически активных веществ измельчение можно вести в атмосфере аргона.Next, the heat-treated powder is subjected to single-stage grinding in a high-speed disintegrator type DESI-11. To prevent the oxidation of chemically active substances, grinding can be carried out in an argon atmosphere.

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.The powder is fed through a metering device to the working area of the disintegrator and the material is processed at a rotor speed of 410 m / s and a frequency of 5000 beats / s. The frequency of the impact is determined by calculation, based on the speed of rotation of the rotors, the number of shock elements (fingers of the rotor) and the dosed flow of material into the working area of the disintegrator. The obtained nanosized powder, passing through the discharge channel and the cyclone, is collected in a special vacuum receiving container of the disintegrator, which has a liquid system that excludes the pyrophoricity of the powder.

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.Example 2. To obtain a nanoscale powder of a fraction (3-5) nm, a powder is selected from an amorphous and microcrystalline alloy (AMC) of the STEMET-1201 grade based on titanium (Ti-Cu-Zr-Ni system) of a fraction of 50-80 μm.

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.Pre-amorphous STEMET-1201 powder is heat treated (crystallization annealing) in a vacuum electric furnace of the SNVE-1.3.1 / 16 I4 type at a temperature (0.4-0.6) T of liquidus for 1 hour. An x-ray diffraction analysis of the annealed amorphous powder is carried out, which shows the presence of crystalline phases in the form of nanoscale inclusions of 50% by volume.

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.After that, the heat-treated powder is subjected to single-stage grinding in a high-speed DESI-11 disintegrator. To prevent the oxidation of chemically active substances, grinding can be carried out in an argon atmosphere.

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.The crushed powder is fed through a metering device to the working area of the disintegrator and the material is processed at a rotor speed of 450 m / s and a frequency of 8000 beats / s, which is determined by calculation for each disintegrated material, based on the speed of rotation of the rotors, the number of shock elements and the dosed input material into the working area of the disintegrator. The obtained nanosized powder of the fraction (3-5) nm, passing the discharge channel and the cyclone, is collected in a special evacuated receiving container of the disintegrator, which has a liquid system that excludes pyrophoricity.

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».The phase composition of the obtained nanosized powders (examples 1 and 2) was determined by X-ray diffraction analysis on a DRON-4M type X-ray diffractometer (or a "Bruker" type diffractometer). The microstructure was studied and the geometric characteristics of the powder particles were determined by scanning electron microscopy (SEM) using a Camscan-4DV scanning electron microscope.

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.).Thus, the studies showed that, subject to the selected grinding conditions, it was possible to obtain a metal powder of a given fractional composition having a nanocrystalline structure by single-stage grinding of a heat-treated powder with an amorphous structure in a disintegrator. This allows us to develop a new generation of special-purpose equipment by powder metallurgy using nanosized metal powders (soft magnetic, corrosion and erosion-resistant, high-strength, etc.).

Claims (3)

1. Способ получения наноразмерного металлического порошка путем измельчения труднодеформируемого материала с аморфной структурой в высокоскоростном дезинтеграторе за счет относительного движения ударных элементов с регламентируемой скоростью и частотой ударов, отличающийся тем, что предварительно отбирают материал с исходным размером частиц не более 80 мкм, подвергают его термообработке, при которой формируют нанокристаллические включения в аморфной матрице, а затем измельчают при скоростях относительного движения ударных элементов 410-450 м/с и частоте ударов 5000-8000 уд./с.1. A method of producing a nanosized metal powder by grinding a hard-to-deformable material with an amorphous structure in a high-speed disintegrator due to the relative movement of the shock elements with a regulated speed and frequency of impacts, characterized in that the material with the initial particle size of not more than 80 μm is preliminarily selected, subjected to heat treatment, in which nanocrystalline inclusions are formed in an amorphous matrix, and then crushed at the speeds of relative motion of the shock element ov 410-450 m / s and impact frequency 5000-8000 bpm. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нанокристаллические включения получают за счет предварительной термообработки аморфного материала при температурах (0,4-0,6) Т ликвидуса не менее одного часа.2. The method according to claim 1, characterized in that the nanocrystalline inclusions are obtained by preliminary heat treatment of the amorphous material at temperatures (0.4-0.6) T of liquidus for at least one hour. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нанокристаллические включения, находящиеся в аморфной матрице, составляют 30-50% по объему. 3. The method according to claim 1, characterized in that the nanocrystalline inclusions located in the amorphous matrix comprise 30-50% by volume.
RU2009120799/03A 2009-06-01 2009-06-01 Method for production of nanosize metal powder RU2397024C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009120799/03A RU2397024C1 (en) 2009-06-01 2009-06-01 Method for production of nanosize metal powder

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009120799/03A RU2397024C1 (en) 2009-06-01 2009-06-01 Method for production of nanosize metal powder

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2397024C1 true RU2397024C1 (en) 2010-08-20

Family

ID=46305380

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009120799/03A RU2397024C1 (en) 2009-06-01 2009-06-01 Method for production of nanosize metal powder

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2397024C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2625511C2 (en) * 2015-12-15 2017-07-14 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" имени И.В. Горынина Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ЦНИИ КМ "Прометей") Method of production of nanocrystal powder material for manufacture of wild-strip composite material

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2625511C2 (en) * 2015-12-15 2017-07-14 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" имени И.В. Горынина Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ЦНИИ КМ "Прометей") Method of production of nanocrystal powder material for manufacture of wild-strip composite material

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bhattacharya et al. Nanocrystalline TiAl powders synthesized by high-energy ball milling: effects of milling parameters on yield and contamination
Canakci et al. A novel method for the production of metal powders without conventional atomization process
Antony et al. Processes for production of high-purity metal powders
CN109108273B (en) Preparation method of NbZrTiTa refractory high-entropy alloy powder and NbZrTiTa refractory high-entropy alloy powder
US11224916B2 (en) Method of producing a powder product
JP6199897B2 (en) Powder mixture for producing nickel-titanium-rare earth metal (Ni-Ti-RE) sintered alloys
Soufiani et al. Fabrication and characterization of nanostructured Ti6Al4V powder from machining scraps
Zhang et al. The effect of annealing on microstructure and mechanical properties of selective laser melting AlSi10Mg
Othman et al. Effect of milling parameters on mechanical alloying of aluminum powders
CN111230134A (en) Multicomponent alloy powder and its fast preparation method
CN110576185A (en) Nanocrystalline high-entropy alloy powder and preparation method thereof
CN110042295A (en) A kind of preparation method of nanometer of high-entropy alloy block materials
Xia et al. Synthesis of WTaMoNbZr refractory high-entropy alloy powder by plasma spheroidization process for additive manufacturing
RU2397024C1 (en) Method for production of nanosize metal powder
CN114682784B (en) Low-cost powder preparation method and printing method of 1900 MPa-level ultrahigh-strength steel for SLM
FANG et al. Characterization of Ti-50% Al composite powder synthesized by high energy ball milling
Shelyakov et al. Formation of structure of TiNiCu alloys with high copper content upon producing by planar flow casting
Daswa et al. Effect of milling speed on the formation of Ti-6Al-4V via mechanical alloying
Hüller et al. Mechanical alloying in planetary mills of high accelerations
Enayati Nanocrystallization of Al powder by cryomilling process
Dai Behavior of Fe powder during high-energy ball milling cooperated with dielectric barrier discharge plasma
Akbari et al. Behavior of cu-cr powder mixtures during mechanical alloying
Martins et al. Syntheses of the Ni3Ti, NiTi, and NiTi2 compounds by mechanical alloying
Mishra et al. Sintering behavior of mechanically alloyed Ti-48Al-2Nb aluminides
Bashirom et al. Effect of Milling Speed on the Synthesis of In-Situ Cu-25 Vol.% WC Nanocomposite by Mechanical Alloying