УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА КАРБИДА ВОЛЬФРАМА Российский патент 2024 года по МПК B22F9/14 B01J19/08 

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к изготовлению металлических порошков с применением электрического заряда и может быть использовано для получения порошка карбида вольфрама, который активно используется для изготовления инструментов, требующих высокой твердости и коррозионной стойкости.

Известно, принятое за прототип, устройство для получения порошка на основе карбида вольфрама [RU 191334 U1, МПК B22F 9/14 (2006.01), B22F 1/00 (2006.01), C01B 32/949 (2017.01), C01G 41/00 (2006.01), опубл. 01.08.2019], содержащее коаксиальные графитовые электроды, закреплённые на диэлектрических держателях, привод, обеспечивающий автоматизированное перемещение электрода. Катод выполнен в виде вертикально расположенного стакана, к внешней стороне которого на диэлектрическом держателе прикреплен привод автоматизированного перемещения анода, состоящий из шагового электродвигателя, а также из металлического кронштейна, с вертикально установленной в нем шпилькой, выполненной с возможностью вращения вокруг своей продольной оси и механически сопряженной с электродвигателем. На шпильке размещена выполненная с возможностью винтового перемещения по шпильке втулка, к которой прикреплен диэлектрический держатель анода над геометрическим центром дна катода.

Недостатками известного устройства являются: низкая производительность устройства, ограниченная временем остывания катода после рабочего цикла и необходимостью сбора полученного порошка с поверхности полости катода, а также низкий ресурс устройства, обусловленный повреждениями сопряженных с катодом частей устройства из-за интенсивного нагрева при работе, сильное загрязнение полученного порошка графитом - материалом эрозии анода.

Техническим результатом предложенного изобретение является создание устройства, позволяющего получить порошок карбида вольфрама с большей производительностью, увеличение ресурса работы устройства.

Устройство для получения порошка карбида вольфрама, так же как в прототипе, содержит катод в виде вертикально расположенного цилиндрического графитового стакана, анод в виде сплошного графитового стержня, закрепленного на диэлектрическом держателе с возможностью продольного перемещения в полости катода, линейный привод вертикального перемещения анода, шаговый электродвигатель, драйвер, логический контроллер и источник питания логических схем.

Согласно изобретению, устройство содержит металлическое основание с установленной нем вертикальной стойкой, в верхней части которой закреплен линейный привод вертикального перемещения, содержащий каркас в виде открытого сбоку параллелепипеда, внутри которого вертикально размещен первый винт с трапецеидальной резьбой, на который надета первая квадратная гайка. В стенке каркаса параллельно первому винту выполнена направляющая для линейного перемещения первой квадратной гайки. Конец первого винта первой муфтой соединен с валом первого шагового электродвигателя. К первой квадратной гайке прикреплен конец горизонтально расположенного диэлектрического держателя в виде стержня, к свободному концу которого вертикально прикреплен конец анода. На основании установлен линейный привод горизонтального перемещения, содержащий прямоугольный открытый сверху каркас, внутри которого горизонтально размещен второй винт с трапецеидальной резьбой, конец которого второй муфтой соединен с валом второго шагового электродвигателя. На второй винт надета вторая квадратная гайка. На боковых стенках открытого сверху каркаса параллельно второму винту выполнены направляющие для линейного перемещения второй квадратной гайки, на которой закреплена горизонтальная диэлектрическая площадка, к которой прикреплен радиатор, на котором установлена алюминиевая плита, в которой на равном расстоянии друг от друга выполнены посадочные гнезда для размещения соответствующих катодов. Дно каждого катода предназначено для размещения пакета завернутой в графитовую бумагу стехиометрической смеси порошков вольфрама и углерода. Радиатор выполнен с проточкой для циркуляции дистиллированной воды, один его патрубок шлангом через насос соединен с нижней частью бака, наполненного дистиллированной водой, а второй патрубок шлангом соединен с верхней частью бака, наполненного дистиллированной водой. Насос подключен к первому источнику питания. Первый шаговый двигатель соединен через первый драйвер с вторым источником питания, с источником питания логических схем и с управляющим контролером. Второй шаговый двигатель соединен через второй драйвер со вторым источником питания. Второй драйвер соединен с источником питания логических схем и с управляющим контролером, который связан с источником питания логических схем. Алюминиевая плита подключена к отрицательному полюсу силового источника постоянного тока, положительный полюс которого соединен с анодом через датчик тока, который соединен с управляющим контроллером.

Радиатор может быть выполнен или из алюминия, или из латуни, или из меди.

Предложенное устройство позволяет реализовать синтез порошка карбида вольфрама в плазме дугового разряда постоянного тока, инициированного в открытой воздушной среде. При возникновении дугового разряда постоянного тока в полости одного из катодов температура исходной смеси графита и вольфрама, завернутой в графитовую бумагу, повышается до 2000 °С - 2500 °С, в результате чего, возникают условия для синтеза карбида вольфрама. При горении дугового разряда генерируется газообразный оксид углерода СО, который предотвращает окисление получаемого порошка кислородом атмосферного воздуха.

Производительность устройства по сравнению с прототипом увеличивается за счет использования нескольких катодов, сокращая этим время для переустановки и остывания катодов, за счет снижения времени рабочего цикла, благодаря принудительному водяному охлаждению катода, за счет размещения исходного сырья в графитовой бумаге, локализуя готовый продукт без необходимости сбора продукта со стенок катода.

Увеличение ресурса работы устройства обеспечивается тем, что нагревающиеся в рабочем цикле катоды установлены в гнездах в алюминиевой плите, водоохлаждаемой радиатором, минимизируя этим тепловое воздействие на элементы устройства, которое приводит к их деформации.

На фиг. 1 показана схема устройства для получения порошка карбида вольфрама.

На фиг. 2 представлена рентгеновская дифрактограмма полученного порошка карбида вольфрама.

Устройство для получения порошка карбида вольфрама содержит металлическое основание 1, на котором в верхней части вертикальной стойки 2 закреплен линейный привод вертикального перемещения, содержащий каркас 3 в виде открытого сбоку параллелепипеда, внутри которого вертикально размещен первый винт 4 с трапецеидальной резьбой, на который надета первая квадратная гайка 5. В вертикальной стенке каркаса 3 параллельно первому винту 4 выполнена направляющая для линейного перемещения первой квадратной гайки 5. Конец первого винта 4 первой муфтой соединен с валом первого шагового двигателя 6.

К первой квадратной гайке 5 прикреплен конец горизонтально расположенного стержня 7 из диэлектрического материала.

На основании 1 установлен линейный привод горизонтального перемещения, который содержит прямоугольный открытый сверху каркас 8, внутри которого горизонтально размещен второй винт 9 с трапецеидальной резьбой, конец которого второй муфтой соединен с валом второго шагового двигателя 10. На второй винт 9 надета вторая квадратная гайка 11. На вертикальной стенке каркаса 8 параллельно второму винту 9 выполнена направляющая для линейного перемещения второй квадратной гайки 11. На второй квадратной гайке 11 закреплена горизонтальная диэлектрическая площадка 12, к которой прикреплен алюминиевый радиатор 13, на котором установлена алюминиевая плита 14. В плите 14 на равном расстоянии друг от друга выполнены посадочные гнезда, для установки в каждом них катода 15.1, 15.2, 15.3 в виде цилиндрического графитового стакана. Дно каждого катода 15.1, 15.2, 15.3 служит для размещения пакета 16 завернутой в графитовую бумагу стехиометрической смеси порошков вольфрама и углерода. Радиатор 13 или из алюминия, или из латуни, или из меди выполнен с проточкой для циркуляции дистиллированной воды.

Один патрубок радиатора 13 силиконовым шлангом через насос 17 соединен с нижней частью бака 18, наполненного дистиллированной водой. Второй патрубок радиатора 13 силиконовым шлангом соединен с верхней частью бака 18. Насос 17 подключен к первому источнику питания 19 (ИП1).

Первый шаговый двигатель 6 соединен через первый драйвер 20 (Д1) со вторым источником питания 21 (ИП2), с источником питания логических схем 22 (ИПЛС) и с управляющим контролером 23 (К). Второй шаговый двигатель 10 соединен через второй драйвер 24 (Д2) со вторым источником питания 21 (ИП2). Второй драйвер 24 (Д2) соединен с источником питания логических схем 22 (ИПЛС) и с управляющим контролером 23 (К), который соединен с источником питания логических схем 22 (ИПЛС). Алюминиевая плита 14 подключена к отрицательному полюсу силового источника постоянного тока 25 (СИП).

На свободном конце горизонтально расположенного стержня 7 из диэлектрического материала закреплен анод 25 в виде графитового стержня.

Положительный полюс силового источника питания 26 (СИП) соединен с анодом 25 через датчик тока 27, соединенный с управляющим контроллером 23 (К).

Предварительно заворачивают стехиометрическую смесь порошков вольфрама и углерода в графитовую бумагу с формированием пакетов 16, каждый из которых помещают на дно соответствующего катода 15.1, 15.2, 15.3, придавая плоскую равномерную форму.

При включении силового источника постоянного тока 25 (СИП), источника питания логических схем 22 (ИПЛС), первого 19 (ИП1) и второго 21 (ИП2) источников питания на аноде 25 и катодах 15.1, 15.2, 15.3 появляется разность потенциалов, запускается насос 17 и по проточке радиатора 13 протекает дистиллированная вода из бака 18. Управляющий контролер 23 (К) подает сигналы на первый шаговый двигатель 6 линейного привода вертикального перемещения и второй шаговый двигатель 10 линейного привода горизонтального перемещения через драйверы 20 (Д1) и 24 (Д2). Второй шаговый двигатель 10 линейного привода горизонтального перемещения передает вращательное движение на второй винт 9, вдоль которого по направляющим каркаса 8 перемещается вторая квадратная гайка 11 с закрепленной на ней диэлектрической площадкой 12 с радиатором 13 и установленной на ней алюминиевой плитой 14, в посадочных гнездах которой расположены катоды 15.1, 15.2 и 15.3. Таким образом первый катод 15.1 оказывается под анодом 27 соосно ему. Затем первый шаговый двигатель 6 линейного привода вертикального перемещения передает вращательное движение на первый винт 4, вдоль которого по направляющим каркаса 3 скользит первая квадратная гайка 5, в результате чего анод 25 опускается вертикально вниз до касания с пакетом 16 завернутой в графитовую бумагу исходной смесью порошков вольфрама и углерода. После начала протекания тока через анод 25, датчик тока 27 подает сигнал на управляющий контроллер 23 (К), который подает сигнал на первый шаговый двигатель 6 линейного привода вертикального перемещения через первый драйвер 20 (Д1), и анод 25 поднимается вверх, формируя разрядный промежуток заданной величины (0,5-1,0 мм), после чего первый шаговый двигатель 6 линейного привода вертикального перемещения останавливается. Создавшийся дуговой разряд нагревает пакет 16 из графитовой бумаги с исходной смесью порошков вольфрама и углерода, и происходит синтез карбида вольфрама под действием высоких температур. Эродированный с анода 25 материал оседает на поверхности графитовой бумаги и стенках катода 15.1. После истечения времени, в течение которого существует дуговой разряд, первый шаговый двигатель 6 линейного привода вертикального перемещения отводит анод 25 в крайнее верхнее положение, и разряд гаснет при растяжении. Датчик тока 27 подает сигнал на управляющий контроллер 23 (К), который подает сигнал на второй шаговый двигатель 10 линейного привода горизонтального перемещения через второй драйвер 24 (Д2), и второй катод 15.2 оказывается под анодом 26, соосно ему. Контроллер 23 (К) подает сигнал на первый шаговый двигатель 6 линейного привода вертикального перемещения через первый драйвер 20 (Д1), анод 25 опускается в полость второго катода 15.2, и рабочий цикл повторяется. После рабочего цикла с третьим катодом 15.3 силовой источник питания 25 (СИП) отключают. После остывания катодов 15.1, 15.2, 15.3 за счет съема тепловой энергии радиатором 13 через алюминиевую плиту 14 катоды 15.1, 15.2, 15.3 извлекают. Из катодов 15.1, 15.2, 15.3 вынимают пакеты 16 из графитовой бумаги с продуктом синтеза внутри и осевшим на ней катодным депозитом. Пакет 16 разворачивают, отделяя депозит и графитовую бумагу от продукта синтеза - порошка карбида вольфрама, который образовался из исходной смеси порошков вольфрама и углерода.

При использовании порошковой смеси углерода и вольфрама, состоящей из вольфрама с кубической решеткой с чистотой 99 % и углерода графитовой структуры с чистотой 99 % при атомарном соотношении 1:1, использовании графитовой бумаги толщиной 0,5 мм, использовании трех катодов 15.1, 15.2, 15.3 диаметром 30 мм и высотой 40 мм, толщиной стенок и дна 5 мм, воздействии дугового разряда в течение 40 секунд при токе 220 А в каждом из трех случаев, были получены порошки карбида вольфрама WC с гексагональной решеткой. В результате рентгенофазового анализа полученных порошков идентифицированы 9 дифракционных максимумов, соответствующих гексагональной модификации карбида вольфрама WC, идентифицированы 7 максимумов тригонально-ромбоэдрического карбида вольфрама W₂C. На картинах рентгеновской дифракции полученных порошков в трех разных катодах не обнаружены максимумы других кристаллических фаз, а в частности, не обнаружены максимумы графита, вольфрама, оксида вольфрама (фиг. 2).

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к устройствам для получения порошка карбида вольфрама с применением электрического заряда. Может использоваться для получения порошка карбида вольфрама, применяемого для изготовления инструментов, требующих высокой твердости и коррозионной стойкости. Устройство содержит металлическое основание с установленной на нем вертикальной стойкой, в верхней части которой закреплен линейный привод вертикального перемещения, содержащий каркас в виде открытого сбоку параллелепипеда, внутри которого вертикально размещен первый винт с трапецеидальной резьбой, на который надета первая квадратная гайка. Конец первого винта первой муфтой соединен с валом первого шагового электродвигателя. К первой квадратной гайке прикреплен конец горизонтально расположенного диэлектрического держателя, к свободному концу которого вертикально прикреплен конец анода в виде сплошного графитового стержня. На основании установлен линейный привод горизонтального перемещения, содержащий прямоугольный открытый сверху каркас, внутри которого горизонтально размещен второй винт с трапецеидальной резьбой, конец которого второй муфтой соединен с валом второго шагового электродвигателя. На второй винт надета вторая квадратная гайка, на которой закреплена горизонтальная диэлектрическая площадка, к которой прикреплен радиатор. На радиаторе установлена алюминиевая плита с посадочными гнездами для размещения в каждом катода в виде вертикально расположенного цилиндрического графитового стакана. Радиатор выполнен с проточкой для циркуляции дистиллированной воды. Обеспечивается повышение производительности и увеличение ресурса работы устройства. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для получения порошка карбида вольфрама, содержащее катод в виде вертикально расположенного цилиндрического графитового стакана, анод в виде сплошного графитового стержня, закрепленного на диэлектрическом держателе с возможностью продольного перемещения в полости катода, линейный привод вертикального перемещения анода, шаговый электродвигатель, драйвер, логический контроллер и источник питания логических схем, отличающееся тем, что оно содержит металлическое основание с установленной на нем вертикальной стойкой, в верхней части которой закреплен линейный привод вертикального перемещения, содержащий каркас в виде открытого сбоку параллелепипеда, внутри которого вертикально размещен первый винт с трапецеидальной резьбой, на который надета первая квадратная гайка, в стенке каркаса параллельно первому винту выполнена направляющая для линейного перемещения первой квадратной гайки, конец первого винта первой муфтой соединен с валом первого шагового электродвигателя, к первой квадратной гайке прикреплен конец горизонтально расположенного диэлектрического держателя в виде стержня, к свободному концу которого вертикально прикреплен конец анода, при этом на основании установлен линейный привод горизонтального перемещения, содержащий прямоугольный открытый сверху каркас, внутри которого горизонтально размещен второй винт с трапецеидальной резьбой, конец которого второй муфтой соединен с валом второго шагового электродвигателя, на второй винт надета вторая квадратная гайка, на боковых стенках открытого сверху каркаса параллельно второму винту выполнены направляющие для линейного перемещения второй квадратной гайки, на которой закреплена горизонтальная диэлектрическая площадка, к которой прикреплен радиатор, на котором установлена алюминиевая плита, в которой на равном расстоянии друг от друга выполнены посадочные гнезда для размещения соответствующих катодов, дно каждого из которых предназначено для размещения пакета завернутой в графитовую бумагу стехиометрической смеси порошков вольфрама и углерода, причем радиатор выполнен с проточкой для циркуляции дистиллированной воды, один его патрубок шлангом через насос соединен с нижней частью бака, наполненного дистиллированной водой, а второй патрубок шлангом соединен с верхней частью бака, наполненного дистиллированной водой, насос подключен к первому источнику питания, первый шаговый двигатель соединен через первый драйвер с вторым источником питания, с источником питания логических схем и с управляющим контролером, второй шаговый двигатель соединен через второй драйвер со вторым источником питания, второй драйвер соединен с источником питания логических схем и с управляющим контролером, который связан с источником питания логических схем, а алюминиевая плита подключена к отрицательному полюсу силового источника постоянного тока, положительный полюс которого соединен с анодом через датчик тока, который соединен с управляющим контроллером.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что радиатор выполнен из алюминия, или из латуни, или из меди.