- •17.1. Получение металлических порошков
- •1. Дробление и размол
- •2. Распыление и грануляция жидких металлов
- •3. Обработка металлов резанием
- •1. Восстановление оксидов и солей
- •1.1. Водород
- •2. Электролиз
- •2.1. Концентрация ионов выделяемого металла
- •2.2. Температура электролита
- •2.3. Плотность тока
- •3. Диссоциация карбонилов
- •4. Гидрометаллургический способ
- •1. Отжиг
- •2. Классификация
- •3. Смешивание порошков
2.2. Температура электролита
При повышении температуры увеличивается подвижность ионов ускоряется их перенос, сохраняется повышенная концентрация катионов у катода. В то же время повышается интенсивность химического взаимодействия выделяемого металла с электролитом, что приводит к снижению количества осадка металла на катоде. Кроме того, возрастает летучесть электролита, ухудшающая условия труда. Практически электролиз водных растворов ведут при температуре электролита 40 – 60 ºС, а электролиз расплавов – при температуре ниже температуры плавления выделяемого металла, обеспечивая минимальное протекание побочных процессов.
2.3. Плотность тока
Плотность тока представляет собой силу тока, проходящего через 1 м2 электрода. Она связывает силу тока, являющегося главным фактором, характеризующим её производительность, с суммарной рабочей площадью катодов или анодов в ванне:
П=J⁄S, где
-
П – плотность тока, 2мА;
-
J – сила тока, А;
-
S – суммарная рабочая площадь катодов или анодов, м2.
Катодная и анодная плотности тока в ванне не совпадают, так как суммарные поверхности катодов и анодов всегда различаются между собой в силу ряда причин. При большой плотности тока на единице площади катода разряжаются больше ионов и таким образом создаются много первичных центров кристаллизации. В связи с малой скоростью роста кристаллов образуются мелкие, дисперсные осадки. Однако высокая плотность тока приводит к выделению на катоде побочных элементов и снижает количество осадка выделяемого металла. Кроме того, с повышением катодной плотности тока растёт и анодная плотность тока, в результате чего на аноде начинается разрядка побочных ионов, приводящая к ухудшению технико-экономических показателей. Поэтому плотность тока должна быть максимально допустимой и не превышать оптимальное значение.
Изменение плотности тока осуществляется за счет изменения силы тока на ванне или изменением числа катодов (катодной поверхности) при постоянной силе тока.
На электролиз и свойства катодного осадка влияют и другие факторы. В частности, расстояние между электродами, длительность наращивания порошка, кислотность электролита, наличие в нем посторонних ионов, скорость циркуляции электролита, форма и состояние поверхности электродов и другие факторы.
Методом электролиза можно получать порошки всех металлов. В настоящее время электролизом получают порошки меди, железа, серебра, цинка, никеля, кадмия, олова, сурьмы, а также их сплавов.
Электролитический метод производства порошков характеризуется невысокой производительностью и довольно высокой себестоимостью получаемого порошка. Однако чистота и высокие технологические свойства электролитических порошков в значительной степени компенсируют недостатки метода.
3. Диссоциация карбонилов
Карбонилы представляют собой химические соединения металлов с оксидом углерода, которые можно выразить общей формулой Mea(CO)c. В основе карбонильного метода лежит способность некоторых металлов под воздействием оксида углерода (СО) образовывать комплексное соединения, называемые карбонилами, которые при определённых условиях могут диссоциировать с образованием порошков. Общим требованием к таким соединениям при получении порошков является их легколетучесть и невысокие температуры образования и термического разложения. Основные свойства некоторых карбонилов приведены в таблице 1.
Карбонильный процесс получения порошков проходит в две стадии по реакциям:
МеаБв + сCO →Mea(CO)c
Mea(CO)c→aMe + cCO На первой стадии исходное сырьё МеаБв, содержащее металл (Ме) в соединении с балластным веществом (Бв) взаимодействует с оксидом углерода (СО), образуя промежуточный продукт – карбонил [Mea(CO)c], который отделяется от балластной примеси благодаря высокой летучести и собирается в чистом виде.
Во второй стадии промежуточный продукт (карбонил) при нагреве диссоциирует на металл и оксид углерода, который обычно возвращают на первую стадию процесса.
Первую стадию карбонильного процесса называют синтезом карбонила металла, а вторую – термическим разложением карбонила.
При синтезе карбонила на поверхности исходного материала, который может быть металлоломом, отходами металлообработки, окисленными рудами и др., адсорбируются газообразные молекулы оксида углерода (СО), вступающие затем в химическое взаимодействие с металлической составляющей сырья. Образующееся карбонильное соединение вначале остаётся на поверхности металла, удерживаемое силами сцепления, а затем удаляется с неё в виде газа. Реакция образования карбонила идёт везде, где оксид углерода соприкасается с поверхностью металла в исходном сырье, а именно снаружи твердого тела, в его трещинах и порах. На образование карбонила оказывают влияние температурные условия, а также присутствие веществ, тормозящих или ускоряющих реакцию.
Таблица 1 – Основные свойства некоторых карбонилов.
Карбонил |
Цвет и состояние в нормальных условиях |
Температура плавления, ºС |
Плотность г/см3 |
Продукты разложения карбонилов |
Fe(CO)5 |
Желтая жидкость |
– 19,5 |
1,453 (при 20 ºС) |
Выше 130 ºС Fe и CO |
Fe2(CO)9 |
Золотистые, желтые или оранжевые кристаллы |
– |
2,085 (при 18,5 ºС) |
При 100 ºС Fe и CO |
Fe3(CO)12 |
Темно-зеленые кристаллы |
|
1,996 (при 18 ºС) |
При 150 ºС Fe и CO |
Ni(CO)4 |
Бесцветная жидкость |
– 19 |
1,31 (при 20 ºС) |
При 0 ºС в вакууме и выше 50 ºС при избыточном давлении 1 ат. Ni и CO |
Co(CO)4 |
Оранжевые кристаллы |
51 |
1,78 |
Выше 60 ºС Cо и CO |
Cr(CO)6 |
Бесцветные кристаллы |
Возгоняется |
1,77 |
При 200 ºС или освещении Cr и СО |
Mo(CO)6 |
Бесцветное твердое вещество |
Возгоняется |
1,96 |
Мо и СО |
W(CO)6 |
То же |
127 |
– |
W и CO |
Термическая диссоциация карбонила на металл и оксид углерода обычно проходит при относительно невысокой температуре. Сначала появляются атомы металла и газообразные молекулы оксида углерода. Порошковые частицы формируются в результате кристаллизации парообразного металла. Сначала образуются зародыши, а затем из них вырастают крупинки порошка различной формы.
На скорость образования зародышей и на скорость формирования металлических кристаллов влияют степень разряжения в аппарате, концентрация паров металла и главным образом температура. При относительно низкой температуре образуется значительно больше зародышей, чем при повышенной. Увеличение концентрации пара металла и снижение вакуума в аппарате благоприятствует образованию зародышей.
Условия развития зародышей отличны от условий их образования. Скорость роста кристаллов также зависит от температуры процесса и от концентрации паров металла. Однако глубина вакуума влияет на форму и размер частиц металла. В условиях глубокого вакуума образуются очень мелкие частицы с правильно сформированными гранями. В умеренном вакууме образуется смесь правильных кристаллов самых различных размеров, а в неглубоком вакууме появляются дендриты.
В промышленных масштабах карбонильным методом производят порошки никеля, железа, кобальта, хрома, молибдена, вольфрама и некоторых других металлов. Метод позволяет получать и полиметаллические порошки, например железоникелевые, железомолибденовые, железокобальтовые, железоникельмолибденовые. В этом случае термическому разложению подвергают смесь карбонилов соответствующих металлов. Сами карбонилы при этом готовят отдельно. Сплавы можно получать и в том случае, если в аппарат разложения вместе с парами карбонила вводить порошок другого металла. Карбонил разлагается на поверхности порошковых частиц и образуется сплав.