Технологические особенности получения наноматериалов электроэрозионным диспергированием

Исследования в области наноматериалов и нанотехнологий определяют на ближайшее время развитие науки и промышленности. Резко возросший интерес к ультрадисперсным наноматериалам и технологиям вызван их огромным значением для фундаментальной науки, а также перспективным прикладным значением для многих отраслей промышленности [13].

В научной литературе присутствует достаточно много упоминаний о положительном влиянии наноразмерных частиц на свойства материалов, включая порошковые [14].

Наиболее перспективным методом получения порошковых металлов в том числе нанодисперсных, практически из любого токопроводящего материала, является метод электроэрозионного диспергирования (ЭЭД) [15].

Данный метод имеет весьма значимые достоинства, такие, как: относительно невысокие затраты на электроэнергию отсутствием механического износа оборудования, безвредность и экологическая чистота данного процесса, получением порошка из кусков вольфрамсодержащих отходов (быстрорежущей стали) разнообразной формы за одну операцию, а также, возможностью получить частицы преимущественно сферической формы [105-126].

Данное явление эрозии металлов при воздействии электрического тока описали еще в конце XVIII века английским ученым Джоном Пристли. Было отмечено, что при разрыве электрической цепи в самом месте разрыва появляется искра либо длительная электрическая дуга. Притом, что дуга или искра оказывает сильнейшее разрушительное действие на контакты данной разрываемой цепи, которое имеет название электрической эрозией. Электрической эрозии могут быть подвержены контакты реле, выключателей, рубильников, и остальных типовых устройств. Разрушение контактов при воздействии электрической эрозии является достаточно вредным явлением. Множество исследований было направлено на устранение или хотя бы на снижение такого разрушения контактов. Академик В.В. Петров наблюдал электрическое разрушение металла в его известных опытах с электрической дугой. В работах Фарадея тоже интерпретируется такое явление, как разрушения металла при возникновении электрического разряда. В XIX - XX веках были изданы работы, которые были специально посвящены электрическому разрушению металлов. Особого внимания заслуживает работа Бенедикса, в которой приводятся фотографии лунок в железе. [16].

Особый практический интерес, к электрической эрозии возник во второй половине XX века, в связи с широким внедрением контактных реле, с одной стороны, а с другой стороны, в связи с изобретением в СССР Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко электроэрозионного метода обработки [17, 18]. Вне зависимости от них В.Н. Гусев[19] в свою очередь занимался электроэрозионным методом обрабатывания металлов, который приобрел существенное распространение и активно используемых в наше время [20-23].

Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко, поместив электроды в жидкий диэлектрик и размыкая электрическую цепь, заметили, то что смесь мутила уже уже после 1-ый разрядов между контактами. Они определили: это совершается вследствие того, что в жидкости появляются наимельчайшие металлические шарики, возникающие в следствии электрической эрозии электродов. Повышая эффект разрушения и используя электрические разряды с целью размеренного удаления металла. Для этой цели они разместили электроды (инструмент и заготовку) в жидкий диэлектрик, какой расплавленные частицы металла и не позволил им оседать в противоположный электрод. Батарея конденсаторов использовалась в качестве генератора импульсов, которые заряжались с источника непрерывного тока; период зарядки конденсаторов регулировалось реостатом. Таким образом появилась 1-ая в мире электроэрозионная установка. Электрод – инструмент двигали к заготовке, и согласно мере их приближения увеличивалась напряженность поля в межэлектродном промежутке (МЭП). Если доходила определенная напряженность поля в месте с минимальным расстоянием между верхними слоями электродов, измеряемым согласно перпендикуляру к обрабатываемой плоскости и именуемым наименьшим межэлектродным зазором, возникал электрический разряд (протекал импульс) тока, под влиянием которого совершалось распад участка заготовки. В диэлектрическую жидкость попадали продукты обработки, где они охлаждались, не достигая электрода – инструмента, а уже после этого осаждались в дно ванны. Через определенный период времени электрод – механизм прошил пластину, при этом контур отверстия четко подходил профилю инструмента.

Уже после этого, это явление, что считалось вредоносным, было использовано с целью размерной обработки материалов. Данное открытие электроэрозионной обработки (ЭЭО) обладало выдающееся значение. К К резанию, литью, обработки давлением, классическим методам формообразования, добавился абсолютно новый, в котором напрямую использовались электрические процессы.

Впервые исследования по применению электрической эрозии металла для извлечения порошков были в 40-х годах прошлого века. Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко, в 1943 г., рекомендовали использовать эффект электрической эрозии с целью получения высокодисперсных порошков [18]. Однако невзирая на достаточно значительную эффективность порошкообразования, дисперсность порошка, способности регулировки гранулометрического состава и степени охлаждения, а кроме того сравнительно небольшие энерго расходы и экологическую чистоту процесса, в отличие от прочих методов получения порошка из отходов твердых сплавов, способ получения металлического порошка способом электроэрозионного диспергирования не нашел обширного применения в индустрии. Это было связано с малой изученностью свойств и строения порошков, а также закономерностей процессов порошкообразования при электроэрозионном диспергировании остатков жестких сплавов.

Основные достоинства метода ЭЭД:

− вероятность получения чистых ультра- и нанодисперсных металлопорошков, исключение загрязнения в ходе диспергирования, в том числе оксидами, таким образом как рабочим органом считается искровой разряд, а инертная сфера не дает его окисления; вероятность пассивации порошков оксидной пленкой в ходе диспергирования методом введения в состав инертного газа контролируемого количества кислорода;

− возможность диспергирования металлов и сплавов с критическими химическими и физическими свойствами (твердость, тугоплавкость, радиоактивность, хрупкость, химическая активность и т.д.);

− возможность регулирования дисперсности порошков в значительных пределах (3 нм…5 мкм) — размер образующихся частиц зависит от электрических параметров элементарных разрядов, конструкции реактора, а также, среды диспергирования;

− возможность получения порошков сферической формы с аморфной, стеклообразной и мелкокристаллической структурой частиц, с высокоразвитой поверхностью (высочайшая химическая активность и сорбционная способность, уникальные магнитные свойства);

− возможность (в случае изменения свойств рабочей среды) осуществления в процессе диспергирования химических реакций и получение порошковых оксидов, гидроксидов, нитридов, карбидов, шпинелей и т.д.;

− возможность под воздействием плазмы искровых разрядов при температуре рабочей среды, близкой к комнатной, протекания высокотемпературных процессов;

− экологическая чистота – отсутствие стоков, газовых и пылевых выбросов (в методе ЭЭД реагенты, в основном, не применяются− в отдельных случаях возможно выделение водорода);

− низкая удельная энергоемкость процесса (в 1, 5…3 кВт для производства 1 кг порошка);

− компактность технологического оборудования (0, 8…1 м² на одну установку) и др. [24].