Получение высокодисперсных порошков металлов и их соединений электроискровым диспергированием металлов

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

Р.К. Байрамов 

ПОЛУЧЕНИЕ ВЫСОКОДИСПЕРСНЫХ 

ПОРОШКОВ МЕТАЛЛОВ И ИХ СОЕДИНЕНИЙ 

ЭЛЕКТРОИСКРОВЫМ ДИСПЕРГИРОВАНИЕМ 

МЕТАЛЛОВ 

Монография 

Москва  2012

УДК 621.762.2:621.9.048 
 
Б18 

Р е ц е н з е н т  
Г.П. Панасюк, доктор химических наук, профессор, член-корреспондент РАИН, 
заведующий лабораторией дисперсных материалов Института общей  
и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН 

Байрамов, Р.К. 
Б18  
Получение высокодисперсных порошков металлов и их соединений электроискровым диспергированием металлов : моногр. / 
Р.К. Байрамов. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2012. – 81 с. : ил. 
ISBN 978-5-87623-649-4 

В книге представлен краткий анализ литературы по физическим процессам, происходящим при электроискровом диспергировании металлов. Показано, что из всех разработанных теорий процесса электроэрозии металлов 
наиболее признанной среди исследователей является тепловая теория, основное и общее положение которой заключается в разрушении металлов за счет 
тепловых процессов, протекающих в зоне теплового разряда. Приведены результаты исследований электроискрового диспергирования ряда металлов: 
алюминия, цинка, никеля и других с получением высокодисперсных металлических порошков. Разработан и описан механизм образования продуктов 
при электроэрозии алюминия в водных растворах. На основании анализа литературных и полученных экспериментальных данных сформулированы основные закономерности процесса электроискрового диспергирования металлов вводных и органических растворов. 
Книга предназначена для научных работников и инженеров, специализирующихся в области получения высокодисперсных порошков металлов и их 
соединений, может быть полезна студентам вузов химических и металлургических специальностей. 
УДК 621.762.2:621.9.048 

ISBN 978-5-87623-649-4 
© Р.К. Байрамов, 2012 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................5 
1. Электрическая эрозия металлов. Физические основы процесса......7 
1.1. Электродинамическая теория.......................................................7 
1.2. Миграционная теория .................................................................10 
1.3. Тепловая теория...........................................................................11 
1.4. Электрическая эрозия металлов.................................................13 
1.5. Влияние условий проведения процесса на электроэрозию 
металлов ..............................................................................................15 
1.5.1. Зависимость эрозии металлов от физических констант 
материалов.......................................................................................15 
1.5.2. Влияние электрических параметров процесса на эрозию 
металлов ..........................................................................................18 
1.5.3. Зависимость эрозии металлов от природы рабочей  
среды, ее чистоты, межэлектродного пространства....................19 
1.5.4. Интенсификация процесса электроэрозионной  
обработки материалов....................................................................22 
1.5.5. Технология электроэрозионной обработки металлов.......23 
2. Методика проведения экспериментов..............................................27 
2.1. Установка электроискрового диспергирования металлов.......27 
2.2. Определение состава продуктов эрозии и их характеристики.....30 
2.2.1. Электронно-микроскопические исследования  
продуктов эрозии............................................................................31 
2.2.2. Определение удельной поверхности получаемого  
продукта и содержания металлического алюминия  
в продуктах эрозии .........................................................................31 
2.2.3. Хроматографическое исследование продуктов эрозии.....32 
2.2.4. Определение производительности процесса  
электроэрозии и удельного расхода электроэнергии..................33 
3. Электроискровое диспергирование металлов в органических 
жидкостях................................................................................................34 
3.1. Диспергирование металлов в диэлектрических  
органических жидкостях....................................................................34 
3.2. Образование карбидов при диспергировании металлов..........36 
4. Электроискровое диспергирование металлов в водных  
растворах .................................................................................................40 
4.1. Электроискровое диспергирование алюминия.........................41 
4.1.1. Образование гидроксидов металла .....................................41 

4.1.2. Образование порошка металла............................................49 
4.1.3. Механизм образования продуктов электроискрового 
диспергирования алюминия ..........................................................57 
4.2. Электроискровое диспергирование цинка ................................63 
4.3. Электроискровое диспергирование металлов, образующих  
на поверхности оксидные пленки с низким контактным 
сопротивлением ..................................................................................65 
Заключение..............................................................................................70 
Библиографический список...................................................................72 

ВВЕДЕНИЕ 

В настоящее время современный уровень развития техники и технологий требует создания новых материалов с повышенным уровнем 
физико-химических и механических свойств. Значительные возможности в этом направлении открывает порошковая металлургия, позволяющая создавать материалы, которые затруднительно или невозможно получать другими методами. Широкое применение порошков металлов в различных областях промышленности (металлургии, машиностроении, приборостроении, химии, электронике, медицине и др.) связано с особенностями их свойств, а именно с микроструктурой и формой отдельных частиц порошка металла, удельной 
поверхностью, поверхностным состоянием и т.д. [1−4]. Свойства порошков металлов в значительной степени зависят от их дисперсности, с повышением которой меняются многие физико-химические и 
механические характеристики. В отличие от обычных для ультрадисперсных порошков, размеры которых составляют 0,1…0,01 мкм, 
существенное значение приобретают силы электростатического 
взаимодействия, сцепления и адгезии. Такие свойства, как текучесть, 
кажущаяся плотность существенно иные и более подвержены влиянию окружающей среды [5]. Указанные свойства порошков позволяют выдвигать новые идеи по их применению, например порошки 
алюминия с размером частиц 0,1 мкм обладают высокой каталитической активностью, не похожей на обычные порошки [6, 7]. Использование для изготовления деталей конструкционного назначения порошков железа, никеля, меди с размерами частиц 0,01…0,05 мкм в 
композиции с нейлоном показало, что они обладают более высокой 
прочностью по сравнению с изделиями, изготовленными из композиций на обычных порошках [8, 9]. Иными словами, высокая дисперсность, удельная поверхность и другие показатели становятся 
причиной появления многих особых свойств порошков металлов, 
которые к настоящему времени остаются не полностью изученными. 
Анализ литературных источников показал наличие большого числа 
методов получения порошков металлов, что позволило исследователям объединить их в две большие группы: механическую и физикохимическую [10, 11]. К первой группе относят порошки, которые 
практически не отличаются по химическому составу от исходного материала, что свидетельствует о превращении сырья в порошок без существенного изменения его химического состава, например, получе

ние порошков измельчением в мельницах различных конструкций 
(шаровая, вихревая, молотковая, планетарная и др.), диспергирование 
распылением расплава металлов, измельчение ультразвуком и т.д. 
Ко второй группе относят порошки, которые подвергаются глубоким физико-химическим превращениям. В результате получают порошки, существенно отличающиеся по химическому составу и 
структуре от исходного материала (получение порошков восстановлением химических соединений металлов, электролитическим осаждением металлов из водных и расплавленных сред, термической диссоциацией карбонилов металлов и др.). 
Получение высокодисперсных порошков электроискровым диспергированием металлов занимает промежуточное положение между 
двумя перечисленными группами методов. В одних условиях получение порошков в процессе электроэрозии, как и для методов механической группы, происходит без изменения их химического свойства по сравнению с исходным материалом [12–15]. В других – полученные порошки при электроискровом диспергировании металлов, 
как и для методов физико-химической группы, сопровождаются существенными физико-химическими превращениями исходного материала [16–19].  
Следует отметить, что полученные в процессе электроэрозии порошки металлов не обладают пирофорными свойствами. Такое поведение порошков обусловлено образованием на поверхности диспергированных металлических частиц защитной оксидной пленки, которая препятствует взаимодействию частиц металла с окружающей 
средой. Кроме того, в процессе электроэрозии возможно получение 
сплавов из металлов, имеющих большие различия в температурах 
плавления и кипения. Получение порошков электроискровым диспергированием металлов называют электроискровым методом получения порошков. 

1. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ. 
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА 

Явление электрической эрозии было открыто в конце XVII в. и 
успешно применялось при получении коллоидных растворов в процессе диспергирования металлов высокочастотными электрическими 
разрядами в жидкости [20].  
На протяжении многих лет электроэрозионный процесс изучали 
многие отечественные и зарубежные исследователи. Значительный 
вклад в теорию и технологию процесса внесли: Б.Р. Лазаренко, 
Н.И. Лазаренко, Б.Н. Золотых, А.С. Зингерман, Л.С. Палатник, С.А. Мандельштам, Е.М. Вильямс и др. 
Существенный прогресс в исследовании явления электроэрозии 
произошел в середине XX в. Электрическая эрозия металлов – явление сложное и комплексное, поэтому более полное представление о 
нем можно составить, рассматривая отдельные стороны этого явления во взаимосвязи. 
Наряду с накоплением экспериментальных данных в различных 
направлениях исследования явления электроэрозии были сделаны 
попытки его объяснения в работах [21–30; 33–58; 60–71]. Были разработаны и созданы различные теории, объясняющие механизм процесса электроэрозии [21–50]. Однако самыми распространенными и 
известными считают электродинамическую [25–30], миграционную 
[33–38] и тепловую [41–50] теории. 

1.1. Электродинамическая теория 

Первая попытка обобщения накопленного экспериментального 
материала была предпринята Б.Р. Лазаренко, который предложил 
схему протекания электроэрозионного процесса [25]. В ее основе лежит два утверждения. Во-первых, искровой разряд является типичным электронным процессом, показывающим, что при атмосферном 
давлении могут возникать электронно-оптические явления. Во-вторых, основной причиной, направленно выбрасывающей металл из 
анода, являются электродинамические силы [26]. В результате была 
построена следующая модель процесса электроэрозии металлов. При 
пробое межэлектродного пространства, возникающего до соприкосновения электродов, участок анода, пораженный импульсом тока, 
мгновенно расплавляется. Под действием динамических сил еще в 
процессе протекания импульса весь, не только расплавленный, но и 

размягченный металл выплескивается из лунки, вмещающей пораженный объем металла. Образовавшиеся после пробоя межэлектродного промежутка электроны образуют газофокусированный луч. 
Электроны, оторвавшиеся от катода в момент пробоя без соударений, достигают анода через образовавшийся канал сквозной проводимости и передают ему запас энергии, сосредоточенной в системе. 
При этом вся энергия торможения выделяется в поверхностных слоях анода, что вызывает направленный взрыв участка анода. Выброс 
металла является следствием не только тепловых процессов, но и 
действия электродинамических сил [27–29]. 
Полученные в последнее время экспериментальные данные позволяют исследователям выйти за рамки электрофизики и рассмотреть достижения смежных областей науки в целях нахождения определенных 
аналогий. В частности, они обращают внимание на специфическую поверхность металла, полученного в процессе электроэрозии, который по 
внешнему виду был похож на рельеф Луны [30]. Это сходство предполагает существование теорий, объясняющих наличие кратеров на Луне. 
Из имеющихся теорий самой убедительной представляется теория, объясняющая образование этих кратеров, как следствие удара о поверхность Луны метеорита, двигающегося с большой скоростью. Проведенные опыты показали, что снаряд, выпущенный со скоростью 1 км·с–1, 
ударяясь о металлическую мишень, пробивает ее, сохраняя при этом 
свою форму и оставляя за собой отверстие, повторяющее его геометрическое сечение [31]. При увеличении скорости не только не происходит 
роста его пробивной способности, наоборот, она снижается, а сам снаряд рассыпается на мелкие частицы. При дальнейшем повышении скорости снаряда (до 6 км·с−1) давление, возникающее при его торможении, 
более чем в 100 раз превышает предел прочности стали, т.е. в этих условиях нельзя говорить о какой-либо прочности, поскольку материалы 
снаряда и цели растекаются под усилиями удара так, как если бы они 
были жидкостями. Удар снаряда о твердую металлическую поверхность 
вначале сопровождается световой вспышкой. Когда фронтальная часть 
снаряда начинает углубляться в мишень, навстречу ему выбрасывается 
поток мельчайших частиц со скоростью, примерно в 2 раза превышающей начальную скорость снаряда. Именно в этот момент начинается 
образование кратера. Материал мишени течет радиально от точки удара, создавая полукруглое углубление. Часть материала двигается по 
краям кратера и выбрасывается струей. Это напоминает специалистам, 
работающим в области электроискровой обработки металлов, лунки, 
получающиеся в результате давления искровых электрических разря

дов. Таковы результаты действия высокоскоростного удара твердого 
тела и механизм выброса материала из мишени. Интерес представляет 
удар о твердую металлическую поверхность струи газа, также перемещающейся с большой скоростью. Этот случай давно изучен, поскольку 
в так называемых кумулятивных снарядах используют именно действие 
газовой струи. Таким образом, между явлением кумуляции при взрыве 
бризантного заряда и гидравлической моделью имеются качественные и 
количественные аналогии и, в частности, в случае гидродинамической 
аналогии наблюдается формирование сжатой струи, близкой по своему 
строению к кумулятивной струе, получаемой при взрыве [32]. При высокоскоростном ударе о металлическую поверхность твердого тела 
жидкой или газовой струи механизм остается неизменным: происходит 
плавление мишени, воспринявшей удар, за счет тепла торможения материальных частиц ударившего тела и выброс ударной волной расплавленного материала в направлении, встречном ударившему телу [30]. 
Известно, что искровой электрический разряд – это мгновенное освобождение в межэлектродном промежутке определенной порции энергии, запасенной в системе. При электроискровом разряде основным носителем энергии является самофокусированный поток электронов. Рассматривая электрон, имеющий определенную массу и движущийся по 
законам механики, возможно не только провести аналогию между процессами, сопровождающими высокоскоростной удар тела, имеющего 
большую массу, с ударом электрона о твердую металлическую поверхность, но и применить к этому элементарному микропроцессу выводы, 
полученные механиками и астрономами при объяснении происхождения кратеров, образованных на поверхности Луны. 
На снимках скоростной киносъемки видно, что после пробоя межэлектродного пространства в результате резкого торможения пучка 
электронов на поверхности анода образуется лунка, а с краев кратера 
с большой скоростью выбрасывается материал. Когда металлическая 
пластина имела сравнительно большую толщину, возникала сильная 
деформация поверхности. При уменьшении толщины пластиныанода поток частиц, идущий от катода, пробивает всю толщу металла 
и двигается в сторону заанодной области. По мнению специалистов, 
высказанная много лет назад электродинамическая теория искровой 
электрической эрозии металлов в результате получения новейших 
экспериментальных данных получила подтверждение и развитие, 
была дополнена конкретными данными [30].