5.1.3. Особливості отримання порошків сплавів

Сутність отримання порошків сплавів електролізом полягає в одночасному осадженні на катоді елементів, що входять до складу сплаву, з електролітів, що містять розчини їх солей. Для цього використовують електролізери з двома анодам, виконані з металів зі складу сплаву (кобальту і нікелю), і спільний катод. Кожний анод має незалежне і регульоване джерело живлення. У процесі електролізу аноди піддаються електрохімічному розчиненню, а на катоді виділяється комплексний порошок і залежно від режимів електролізу – більшою чи меншою мірою водень.

Cпіввідношення металів в отримуваному сплаві залежить від їх співвідношень у розчині. Тому важливо підтримувати постійні концентрації металів і особливо їх співвідношення в розчині в процесі електролізу. Співвідношення металів у розчині в процесі електролізу залишиться постійним, якщо швидкості їх анодного розчинення будуть відповідати швидкостям розряду іонів цих металів на катоді, тобто cпіввідношення анодних струмів має відповідати співвідношенню концентрацій елементів у розчині. При цьому має виконуватись така рівність:

де – співвідношення анодних струмів; – співвідношення електрохімічних еквівалентів; і – співвідношення концентрацій металів відповідно у розчині та порошку.

Якщо ця рівність не виконується, співвідношення компонентів у розчині буде змінюватись, що приведе до зміни складу отримуваного порошку.

Вплив різноманітних чинників на вихід за струмом і склад отримуваних порошків сплавів такий самий, як і в разі отримання однокомпонентних осадів. Наприклад, для отримання порошку сплаву Ni-Co вихід за струмом зростає зі збільшенням концентрації розчину, температури електролізу та зменшенням кислотності розчину (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Залежність виходу за струмом порошку сплаву Ni-Co від температури (1), сумарної концентрації іонів металів у розчині (2) і рН розчину (3)

5.1.4. Технологічні основи отримання порошків металів електролізом водних розчинів їх солей

Технологію отримання порошків металів електролізом їх солей можна поділити на два процеси. Перший – безпосередньо процес електролізу з отриманням рихлого (або компактного для отримання порошку заліза) осаду, а другий – його перероблення з отриманням порошку із заданими властивостями.

Електроліз проводять в електролізерах, які залежно від способу знімання осаду з катодів та видалення його з реактора, масштабів виробництва можуть мати різну конструкцію. Зазвичай в промислових умовах найчастіше використовують електролізерні ванни ящикового типу від 2 до 10 м³ . Корпус ванни можна виготовляти із залізобетону, металу або дерева, що футерують кислотостійким матеріалом – пластмасами, листовим сплавом свинцю із 6% сурми. Можливе також виготовлення корпусу ванни з вініпласту футерованого склом, який не потребує футерування.

Електролізер являє собою електрохімічну систему, яка складається з ванни, заповненої електролітом, у якій містяться катоди та аноди пристроїв для живлення та підведення струму, системи циркуляції електроліту, вивантаження рихлого осаду. Схему такого електролізеру показано на рис. 5.9. Однойменні електроди (катоди, аноди) умикають в електричний ланцюг паралельно. Електролізери, якщо їх декілька, вмикають в одне джерело струму послідовно, що зумовлює однакові умови їх живлення. Джерелом живлення постійного струму слугують тиристорні (силіцієві або германієві) випрямлячі.

Аноди виготовляють здебільшого у вигляді пластин або литва з металу, або сплаву на його основі, порошок якого отримують. Можливе також використання насипних анодів. У цьому разі як аноди використовують відходи виробництва – скрап або металеву стружку. Аноди, виготовлені з такого матеріалу, розчинні, тому їх періодично змінюють. Можливе також використання нерозчинних або малорозчинних анодів з графіту, свинцю.

Рис. 5.9. Схема поздовжнього перетину електролізера:

1 - карман для подачі електроліту; 2 – проміжна шина ; 3 – аноди;

4 – катоди; 5 – відведення електроліту

Як катоди використовують неіржавійну сталь, алюміній, титан, графіт, мідь, катоди зі свинцево-сурьм’янистого сплаву. Вибір того чи того матеріалу для виготовлення катода обумовлено умовами проведення електролізу. Так, для отримання порошку міді електролізом катоди з алюмінію доцільно використовувати за густини струму електролізу понад 2500 А/м² , відносно малих температур (30...35 ⁰С) і вмісту в електроліті сірчаної кислоти 0,12...0,14 г/см³. Титанові катоди використовують при густині струму 1400...1600 А/см³, температурі – 35...40 ⁰С і вмісті кислоти – не більше 0,1 г/см³. При цьому втрати матеріалу катода не перевищують 0,05...0,07 % на тонну продукту. Вибираючи матеріал катода, необхідно враховувати їх електропровідність та корозійну стійкість, які мають бути високими. Одна з вимог до катодів – висока чистота шліфованої поверхні, що значно полегшує знімання катодного осаду з поверхні катода.

Катоди можуть бути стаціонарними у вигляді пластин чи стрижнів, або рухомими у вигляді дисків, барабанів і стрічок.

Стабільність властивостей отримуваних порошків, за інших однакових умов, багато в чому залежить від методу знімання осаду з поверхні катодів. У цьому сенсі важливий вплив має періодичність знімання осаду, яка має бути однаковою. Для цього знімають осад через фіксовані проміжки часу (20...30 хв) механічним способом або за допомогою електричного імпульсу. В останньому випадку на електроди короткочасно подають імпульс струму високої напруги. Розряд, що при цьому виникає між електродами, створює ударну хвилю, яка й очищує катод від порошку. Для стабілізації властивостей порошків та проведення процесу в безперервному режимі доцільно проводити електроліз з використанням обертових катодів. Регулювати властивості отримуваних порошків у таких електролізерах можна, змінюючи швидкість обертання катода. Схему такого електролізера показано на рис. 5.10.

У процесі електролізу склад електроліту як за концентрацією солі металу, так і за його кислотністю постійно змінюються. Головна причина цього – різні значення коефіцієтів використання катодного (К^к) та анодного (К^а) струмів. Якщо припустити, що К^а = 1, то К^к може змінюватись у межах 0,85...0,92, що залежить від потенціалу виділення відповідних іонів металів, участі в перенесенні електрики іонів водню та іонів елементів-домішок, наявності перенапруги і т.ін. У цьому разі в процесі електролізу (наприклад, для отримання порошку міді) буде перебігати реакція:

Cu + (1- К^к)Н₂SO₄ + I = К^кCu^к + (1-К^к)Н₂ + (1-К^к)CuSO₄,

де І – струм .

Рис. 5.10. Електролізер з обертовим катодом:

1 – корпус; 2 – отвори в перегородці; 3 – обертовий катод; 4 – кришка;

5 – катодна коробка; 6 – щітки для знімання осаду з катода; 7 – вал;

8 – холодильники; 9 – аноди; 10 – отвір для зливання електроліта;