RU2697140C1

RU2697140C1 - Method of producing powder based on refractory compounds

Info

Publication number: RU2697140C1
Application number: RU2018142036A
Authority: RU
Inventors: Павел Михайлович Бажин; Александр Моисеевич Столин; Анастасия Вадимовна Болоцкая; Павел Андреевич Столин
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2018-11-29
Publication date: 2019-08-12

Abstract

FIELD: powder metallurgy.SUBSTANCE: invention relates to production of powdered materials of refractory compounds. Method involves preparation of exothermic mixture of transition metal and non-metal with 1–5 wt. % of polyethylene powder, arrangement of prepared mixture in cylindrical reactor, initiation of combustion reaction in the prepared mixture in self-propagating high-temperature synthesis mode (SHS) and shearing deformation of combustion products to produce powder.EFFECT: increased yield of particles of the obtained powder with dimensions smaller than 400 mcm.1 cl, 1 tbl, 2 ex

Description

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению порошковых материалов тугоплавких соединений способами, сочетающими горение в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и высокотемпературное сдвиговое деформирование продуктов синтеза. Полученные предлагаемым способом материалы могут быть использованы в металлургии, химической и инструментальной промышленности, авиадвигателестроении и других областях.The invention relates to the field of powder metallurgy, in particular to the production of powder materials of refractory compounds by methods combining combustion in the mode of self-propagating high-temperature synthesis (SHS) and high-temperature shear deformation of synthesis products. Obtained by the proposed method, the materials can be used in metallurgy, chemical and tool industry, aircraft engine and other areas.

Известен традиционный способ синтеза тугоплавких неорганических соединений методом СВС (SU 255 221 A1, C01G 1/00, 00.00.1969 г. (FR2088668 А5, С04В 35/56, С04В 35/500, 07.01.1972 г., US3726643 А,A known traditional method for the synthesis of refractory inorganic compounds by the SHS method (SU 255 221 A1, C01G 1/00, 00.00.1969, (FR2088668 A5, С04В 35/56, С04В 35/500, 01/07/1972, US3726643 A,

С01В 13/32, С01В 21/06, С01В 21/076, С01В 25/06, 10.04.1973 г.; GB 1321084A С01В 13/32, С01В 21/06, С01В 21/076, С01В 25/06, 20.06.1973 г.; JP N 1098839, 1981 г. )), который заключается в экзотермической реакции исходных компонент в реакторах горения, с последующим остыванием продуктов синтеза и их размолом в шаровых мельницах и аттриторах.СВВ 13/32, СВВ 21/06, СВВ 21/076, СВВ 25/06, 04/10/1973; GB 1321084A С01В 13/32, СВВ 21/06, СВВ 21/076, СВВ 25/06, 06/20/1973; JP N 1098839, 1981)), which consists in the exothermic reaction of the starting components in the combustion reactors, followed by cooling of the synthesis products and their grinding in ball mills and attritors.

Недостатком указанного способа, ввиду высокой твердости и прочности синтезированных материалов, является операция измельчения, которая требует больших усилий и времени, кроме того порошок загрязняется металлом.The disadvantage of this method, due to the high hardness and strength of the synthesized materials, is the grinding operation, which requires great effort and time, in addition, the powder is contaminated with metal.

Известен способ получения порошков неорганических соединений в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза из реакционной смеси (SU 1815934 A1, С01В 31/30, С01В 21/06, 20.09.2003 г. ), включающей составляющие соединение элементы, в замкнутом объеме с последующим измельчением полученного продукта и его химической обработкой, с целью увеличения удельной поверхности порошка соединения и повышения его чистоты, химическую обработку ведут при 40-100°С и непрерывном перемешивании в растворах кислот с концентрацией 5-30 мас. % либо в растворах щелочей с концентрацией 2-40 мас. %, либо в растворах солей с концентрацией 10-30 мас. %.A known method of producing powders of inorganic compounds in the mode of self-propagating high-temperature synthesis from the reaction mixture (SU 1815934 A1, СВВ 31/30, СВВ 21/06, 09/20/2003), comprising the components of the compound, in a closed volume with subsequent grinding of the resulting product and its chemical treatment, in order to increase the specific surface of the powder of the compound and increase its purity, chemical treatment is carried out at 40-100 ° C and continuous stirring in acid solutions with a concentration of 5-30 wt. % or in alkali solutions with a concentration of 2-40 wt. %, or in solutions of salts with a concentration of 10-30 wt. %

Недостатком данного способа является сложность и длительность химической обработке синтезированного материала.The disadvantage of this method is the complexity and duration of the chemical treatment of the synthesized material.

Известны способы получения порошков тугоплавких соединений (RU 2161548, B22F 9/16, B22F 3/23, 10.01.2001 г.; RU 98100315 А, B22F 9/16, 27.10.1999 г. ), включающие сжигание экзотермической смеси переходного металла и неметалла (углерода, бора, кремния и др.) в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза при направленной фильтрации примесных газов, что исключает разбавление исходной шихты конечным продуктом, и при этом продукт получается в виде легкоразрушающейся пористой массы, что снижает загрязнение целевых порошков материалом мелющих тел на стадиях окончательного передела.Known methods for producing powders of refractory compounds (RU 2161548, B22F 9/16, B22F 3/23, 01/10/2001; RU 98100315 A, B22F 9/16, 10/27/1999), including the burning of an exothermic mixture of a transition metal and non-metal (carbon, boron, silicon, etc.) in the mode of self-propagating high-temperature synthesis with directional filtration of impurity gases, which eliminates the dilution of the initial mixture with the final product, and the product is obtained in the form of easily decomposing porous mass, which reduces the pollution of target powders by the material of grinding media at the stages windows thorough redistribution.

Недостатком данного способа является сложность аппаратного оформления, необходимость предварительного гранулирования исходных реагентов, а также необходимость последующей очистки конечных продуктов синтеза от непрореагировавших компонент.The disadvantage of this method is the complexity of the hardware design, the need for preliminary granulation of the starting reagents, as well as the need for subsequent purification of the final synthesis products from unreacted components.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ синтеза порошковых материалов в условиях СВС и сдвигового деформирования, который включает приготовление экзотермической смеси переходного металла и неметалла (углерода, бора, кремния, алюминия и др.), инициирование реакции, самораспространяющийся высокотемпературный синтез и последующее сдвиговое деформирование продуктов горения. (П.М. Бажин, A.M. Столин, М.В. Михеев, чл. корр. РАН М.И. Алымов. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез в условиях совместного действия давления со сдвигом/ Доклады академии наук, Химическая технология. 2017. Т. 473. №5. С. 568-571).The closest in technical essence to the claimed invention is a method for the synthesis of powder materials under conditions of SHS and shear deformation, which includes preparing an exothermic mixture of a transition metal and non-metal (carbon, boron, silicon, aluminum, etc.), initiating a reaction, self-propagating high-temperature synthesis, and subsequent shear deformation of combustion products. (P.M. Bazhin, AM Stolin, M.V. Mikheev, Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences M.I. Alymov. Self-propagating high-temperature synthesis under conditions of combined action of pressure with shear / Reports of the Academy of Sciences, Chemical Technology. 2017. V. 473 No. 5, p. 568-571).

Недостатком прототипа является низкий выход продукта дисперсностью менее 400 мкм, что говорит о низкой производительности процесса.The disadvantage of the prototype is the low yield of the product with a fineness of less than 400 microns, which indicates a low productivity of the process.

Техническим результатом предлагаемого способа является усовершенствование способа и увеличение производительности процесса получения порошковых материалов.The technical result of the proposed method is to improve the method and increase the productivity of the process of obtaining powder materials.

Технический результат достигается тем, что способ получения порошка на основе тугоплавких соединений, включающий приготовление экзотермической смеси переходного металла и неметалла, размещение приготовленной смеси в цилиндрическом реакторе, инициирование реакции горения в приготовленной смеси в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), сдвиговое деформирование продуктов горения с получением порошка, отличающийся тем, что в состав экзотермической смеси дополнительно вводят 1-5 масс. % порошкового полиэтилена.The technical result is achieved in that a method for producing a powder based on refractory compounds, including preparing an exothermic mixture of a transition metal and non-metal, placing the prepared mixture in a cylindrical reactor, initiating a combustion reaction in the prepared mixture in the mode of self-propagating high-temperature synthesis (SHS), shear deformation of combustion products with obtaining a powder, characterized in that the composition of the exothermic mixture is additionally introduced 1-5 mass. % polyethylene powder.

Сущность предложенного способа заключается в проведении химической реакции исходных компонент металла и неметалла с добавлением порошкового полиэтилена в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в сочетании с высокотемпературным сдвиговым деформированием. Способ осуществляют следующим образом. В графитовый или металлический цилиндрический реактор помещают предварительно перемешанную экзотермическую смесь из исходных компонент металла (титан, алюминий, железо и др.) и неметаллов (углерод, бор, кремний и др.) в насыпном виде или в виде компактной цилиндрической заготовки. Дополнительно к исходной смеси добавляют 1-5 масс. % порошкового полиэтилена (СВМПЭ). Инициируют вольфрамовой спиралью реакцию горения. Горение смеси с порошковым полиэтиленом приводит к выделению большого количества газа, который препятствует агломерированною и спеканию частиц между собой, что существенным образом снижает прочность спека. После заданного времени производят опускание вращающегося ротора до основания реактора. Таким образом, использование 1-5 масс. % порошкового полиэтилена приводит к значительному увеличению выхода доли частиц с размерами менее 400 мкм (табл.). При малом добавлении порошкового полиэтилена (менее 1 масс. %) положительный эффект не наблюдается. Увеличение в исходной смеси доли порошкового полиэтилена более 5 масс. % снижает экзотермичность смеси и не является целесообразным для низкоэкзотермичных составов, т.к. часть теплоты реакции тратится на горение полиэтилена, а остатков тепла не хватает на поддержание реакции в самораспространяющимся режиме. После синтеза порошков традиционным способом СВС без приложения сдвигового деформирования, синтезированный материал состоит из спека и для его последующего размола требуются дополнительные длительные технологические операции диспергирования при больших усилиях, при этом порошок загрязняется металлом молящих тел.The essence of the proposed method is to conduct a chemical reaction of the starting components of the metal and non-metal with the addition of powder polyethylene in the mode of self-propagating high-temperature synthesis in combination with high-temperature shear deformation. The method is as follows. A pre-mixed exothermic mixture of the initial metal components (titanium, aluminum, iron, etc.) and non-metals (carbon, boron, silicon, etc.) is placed in a bulk or in the form of a compact cylindrical blank in a graphite or metal cylindrical reactor. In addition to the initial mixture add 1-5 mass. % powder polyethylene (UHMWPE). Initiate a combustion reaction with a tungsten spiral. Combustion of the mixture with powder polyethylene leads to the release of a large amount of gas, which prevents agglomerated and sintering of particles among themselves, which significantly reduces the strength of the cake. After a predetermined time, the rotating rotor is lowered to the base of the reactor. Thus, the use of 1-5 mass. % of powder polyethylene leads to a significant increase in the yield of the fraction of particles with sizes less than 400 microns (table). With a small addition of powder polyethylene (less than 1 wt.%), A positive effect is not observed. The increase in the initial mixture of the proportion of powder polyethylene more than 5 mass. % reduces the exothermicity of the mixture and is not advisable for low exothermic compositions, because part of the reaction heat is spent on burning polyethylene, and there is not enough heat left to maintain the reaction in a self-propagating mode. After the powders are synthesized by the traditional SHS method without the use of shear deformation, the synthesized material consists of cake and for its subsequent grinding, additional lengthy technological dispersion operations are required with great effort, while the powder is contaminated with metal of the praying bodies.

Сущность предлагаемого изобретения подтверждается следующими примерами.The essence of the invention is confirmed by the following examples.

Пример 1. Приготавливают экзотермическую смесь порошков исходных компонент в соотношении масс. %: (79,2) Ti - (19,8) С - (1,0) СВМПЭ, размещают приготовленную смесь в цилиндрическом реакторе, инициируют реакцию горения в приготовленной смеси в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, после прохождения волны горения опускают вращающий ротор с частотой вращения 120 об/мин. После охлаждения просеивают порошок через сита и классифицируют частицы по размерам (табл.). Полученный порошок состоит из 80 масс. % частиц дисперсностью менее 400 мкм, что в 1,5 раза больше, чем для прототипа и в 80 раз больше, чем для традиционного способа получения.Example 1. Prepare an exothermic mixture of powders of the starting components in the mass ratio. %: (79.2) Ti - (19.8) С - (1.0) UHMWPE, place the prepared mixture in a cylindrical reactor, initiate the combustion reaction in the prepared mixture in the mode of self-propagating high-temperature synthesis, after passing the combustion wave, lower the rotor rotor with rotation speed of 120 rpm. After cooling, the powder is sieved through sieves and the particles are classified by size (table). The resulting powder consists of 80 mass. % of particles with a fineness of less than 400 microns, which is 1.5 times more than for the prototype and 80 times more than for the traditional method of obtaining.

Пример 2. В условиях примера 1, отличающийся тем, что берут исходные компоненты в следующем соотношении масс. %: (76) Ti - (19) С -(5,0) СВМПЭ, после прохождения волны горения опускают вращающий ротор с частотой вращения 240 об/мин. После охлаждения просеивают синтезированный порошок через сита и классифицируют частицы по размерам (табл.). Полученный порошок состоит из 88 масс. % частиц дисперсностью менее 400 мкм, что в 1,3 раза больше, чем для прототипа и 88 раз больше, чем для традиционного способа получения.Example 2. In the conditions of example 1, characterized in that they take the starting components in the following mass ratio. %: (76) Ti - (19) С - (5.0) UHMWPE; after the passage of the combustion wave, the rotor rotor is lowered at a speed of 240 rpm. After cooling, the synthesized powder is sieved through sieves and the particles are classified by size (table). The resulting powder consists of 88 mass. % of particles with a fineness of less than 400 microns, which is 1.3 times more than for the prototype and 88 times more than for the traditional method of obtaining.

Распределение частиц по размерам в сравнении с порошком, полученным традиционным методом СВС и по прототипу представлены в таблице.The distribution of particle sizes in comparison with the powder obtained by the traditional SHS method and according to the prototype are presented in the table.

Таким образом, предлагаемая совокупность признаков изобретения позволяет получать порошки на основе тугоплавких соединений в одну технологическую стадию с размерами частиц менее 400 мкм с массовой долей до 88%, при этом производительность процесса получения порошка возрастает в 80-88 раз по сравнению с традиционным способом получения и в 1,3-1,5 раза по сравнению с прототипом. Полученные порошки могут быть использованы в металлургии, химической и инструментальной промышленности, авиадвигателестроении и других областях при изготовлении изделий различного функционального назначения, работающих при абразивном износе, повышенных температурах и в агрессивных средах.Thus, the proposed combination of features of the invention allows to obtain powders based on refractory compounds in one technological stage with particle sizes less than 400 microns with a mass fraction of up to 88%, while the productivity of the process for producing powder increases 80-88 times in comparison with the traditional method of obtaining and 1.3-1.5 times compared with the prototype. The obtained powders can be used in metallurgy, chemical and tool industry, aircraft engine manufacturing and other fields in the manufacture of products for various functional purposes, operating under abrasive wear, elevated temperatures and in aggressive environments.

Claims

A method of producing a powder based on refractory compounds, including preparing an exothermic mixture of a transition metal and non-metal, placing the prepared mixture in a cylindrical reactor, initiating a combustion reaction in the prepared mixture in the mode of self-propagating high temperature synthesis (SHS) and shear deformation of the combustion products to obtain a powder, characterized in that the composition of the exothermic mixture is additionally introduced 1-5 wt.% powder polyethylene.