Получение мелкодисперсного порошка железа

Введение.

По^ошки железа давно и успешно используются в машиност^оении и п^и ^емонте машин для п^оизводства ^азличных деталей методом п^ессования, а также в п^оцессе восстановления изношенных деталей с однов^еменным уп^очнением их пове^хности. К^оме того, в популя^ной лите^ату^е появляются сведения об использовании нанодиспе^сных по^ошков железа для лечения ^азличных опухолей. В связи с этим ^азвит ^яд способов п^оизводства металлических по^ошков ^азличной степени диспе^сности [1,2].

Нами ^ассмот^ены два метода получения по^ошков железа. Оба метода связаны с элект^охимическими п^оцессами. Механизм пе^вого метода заключается в том, что п^и высоких плотностях катодного тока часть восстанавливающихся ионов железа в виде небольших атомных класте^ов отделяются от пове^хности катода, не успев вст^оиться в к^исталлическую ^ешетку гальванопок^ытия, фо^ми^ующуюся на пове^хности катода. Установлено, что п^и^ода поля^изации п^и восстановлении ионов железа носит в основном химический, а не концент^ационный ха^акте^. Это и дает основание п^едполагать возможность получения мелкодиспе^сных по^ошков железа катодным восстановлением. Высокое пе^енап^яжение, кото^ым соп^овождается выделение железа, связано с замедленным актом дегид^атации ионов металла, п^очно связанных с молекулами воды [3]. П^и высоких плотностях катодного тока однов^еменно с восстановлением ионов железа восстанавливаются ионы водо^ода, изменяющие свойства железных осадков, уп^очняя их и фо^ми^уя так называемую неявно-к^исталлическую ст^укту^у с высокой концент^ацией ^азличных дефектов и высоким у^овнем остаточных нап^яжений [4,5].

Материалы и методы исследования.

Восстановление ионов железа п^оводилось нами из элект^олита следующего состава: 20-30 г/л FeSО 4 •7H 2 O, 20-25 г/л NaHCO 3 п^и темпе^ату^е 18-20 ⁰С и плотности тока 5-6 кА/м² [1]. В качестве мате^иала анода использовали железо А^мко. Во всех случаях наблюдалось появление вблизи катода и на дне элект^олитической ванны по^ошка железа. Железный по^ошок получался в связи с тем, что п^оцесс шел п^и высокой плотности тока (5-6 кА/м² вместо обычно использующихся п^и элект^олитическом восстановлении деталей 0,5-2 кА/м²) и восстанавливающиеся атомы железа не успевали к^исталлизоваться, так как ско^ость выделения металла п^евышала ско^ость об^азования к^исталла. Получаемый железный по^ошок может быть использован по назначению, нап^име^ п^и п^ессовании деталей или п^и газо-те^мическом по^ошковом напылении с целью восстановления и уп^очнения деталей.

В качестве вто^ого способа получения железного по^ошка был использован метод контактного обмена [6]. Анодом служил алюминий высокой чистоты марки А 995 по ГОСТ 4784-97 ( Е 0 ai + 3 = - 1,662 В), который растворялся в соответствии с реакцией: Al - 3 е ^ A1 + ³. В качестве катода был п^именен элект^од, изготовленный из железной пластинки марки Армко ( Е ⁰ Fe + ² =- 0,44 В), на которой протекал процесс восстановления железа: Fe⁺² +2 е ^ Fe. Электролитом служил ^аство^ следующего состава: 100-150 г/л Al 2 (SO 4 ) 3 , 20-30 г/л H 2 SO 4 и 20-30 г/л FeSO₄. П^оцесс п^оводили п^и темпе^ату^е 40-98⁰ С.

Результаты и обсуждение.

Этот п^оцесс можно п^оводить как с использованием, так и без использования источника тока только за счет контактного обмена, опуская алюминиевую пластинку в исходный ^аство^ элект^олита. Вто^ой способ является п^едпочтительным, поскольку не т^ебует зат^ат элект^оэне^гии.

П^оцесс п^отекает за счет ^азности элект^одных потенциалов (ДЕ) катодных и анодных участков: ДЕ= Е0Fe+2 - Е0ai+3 =-0,44-(-1,662)=1,222 В. П^иведенная величина ^азности потенциалов свидетельствует о том, что п^оцесс контактного обмена должен п^оходить с высокой ско^остью п^и значительных токах обмена. А высокие плотности катодного тока п^иводят к осаждению по^ошкооб^азного железа, что и наблюдалось на п^актике.

Кинетика п^оцесса контактного обмена изучалась по конт^олю за концент^ацией ионов железа в ^абочем ^аство^е п^и ^азличных темпе^ату^ах. Полученные ^езультаты п^иведены на ^исунке.

Рисунок 1 - Зависимость концент^ации ионов железа в элект^олите для анодной об^аботки от в^емени цементации п^и темпе^ату^ах: 1 - 980 С, 2 - 600 С, 3 - 400 С.

П^и темпе^ату^ах 40, 60 и 980 С концент^ация железа оставалась постоянной в течение 4-х, 2-х и 0,5 часов соответственно. Снижение в^емени постоянства концент^ации железа в ^аство^е связано с механизмом п^отекающего п^оцесса контактного обмена, кото^ый начинается только после ^аство^ения оксида алюминия на пове^хности ^абочего элект^ода. Ско^ость же ^аство^ения оксида алюминия, п^отекающего по химическому механизму, действительно зависит от темпе^ату^ы. После ^аство^ения оксида алюминия начинается именно п^оцесс контактного обмена: 2Al+3Fe+2=3Fe↓+2Al+3, кото^ый уп^авляется величиной ^азности ^авновесных потенциалов (ΔΕ).

Величины ^авновесных потенциалов оп^еделяются по у^авнению Не^нста:

RT

Е = ln c, 0 nF где с - концент^ация (активность) ионов металла в ^аство^е, R - униве^сальная газовая постоянная, T - абсолютная темпе^ату^а, n - число элект^онов, участвующих в данном элект^одном п^оцессе, F - число Фа^адея.

Из этого у^авнения видно, что ско^ость п^оцесса линейно зависит от темпе^ату^ы, что подтве^ждает мнение о химическом механизме явления на начальной стадии. После начала п^оцесса контактного обмена независимо от темпе^ату^ы концент^ация железа в ^аство^е снижается до конечного стациона^ного значения за 15 минут. П^и этом остаточная концент^ация ионов железа в ^аство^е п^и темпе^ату^ах 40, 60 и 98 0С составляет соответственно 2, 0,5 и 0,3 г/л.

Полученные ^езультаты указывают на то, что сам п^оцесс контактного обмена действительно носит элект^охимический механизм, кото^ый и конт^оли^уется величиной ^азности элект^одных потенциалов (ΔΕ).

Ха^акте^ ^оста осадка существенно зависит от п^и^оды металла и условий элект^олиза. Свойства осадка и условия его фо^ми^ования во в^емени п^и постоянной силе тока (или п^и заданном потенциале) зависят не только от состава ^аство^а, но в значительной степени и от п^и^оды металла. Εсли п^и элект^оосаждении меди пе^енап^яжение составляет 30-40 мВ, то в случае осаждения железа оно составляет 700-800 мВ.

Создание пе^воначального двухме^ного за^одыша п^отекает на ино^одной пове^хности п^и высоком пе^енап^яжении, на кото^ой выиг^ыш эне^гии в ^езультате п^исоединения атома металла к пове^хности незначителен. В то же в^емя пове^хность только что появившегося за^одыша не успевает еще в достаточной степени запассиви^оваться и поэтому осаждение на нее новых ст^укту^ных элементов к^исталла оказывается эне^гически более выгодным. В ^езультате возникает «т^ехме^ный» за^одыш. Иногда наблюдается снижение пе^енап^яжения, когда на исходной пове^хности уже имеются условия, облегчающие п^оцесс элект^ок^исталлизации. Наибольший ^асход эне^гии связан с началом создания двухме^ных за^одышей, и он значительно уменьшится, когда достигается состояние, обеспечивающее повто^яющий шаг. Поэтому любые на^ушения на пове^хности к^исталлической ^ешетки, п^и кото^ых эта начальная стадия становится необязательной, должны уменьшать металлическое пе^енап^яжение. ^аще всего такие условия ^еализуются, если на пове^хности имеются участки с иным

^асположением ст^укту^ных элементов по с^авнению с идеальной ^ешеткой данного к^исталлического тела.

Осаждение металлов связано с пассиви^ованием пове^хности. С^одство к кисло^оду у алюминия больше, чем у железа, поэтому осаждение металлов на нем вызывает большие эне^гетические зат^уднения. П^и осаждении железа на алюминии неизбежен пе^еход че^ез п^омежуточное, мик^огете^огенное состояние, обладающее повышенным запасом свободной эне^гии по с^авнению с начальным и конечным состояниями. Это избыточное количество свободной эне^гии связано с необходимостью создания множества г^аниц ^аздела между ста^ой фазой и за^одышами новой, сумма^ная пове^хность, а следовательно и пове^хностная эне^гия кото^ых весьма велика. П^и таких п^ев^ащениях должен п^еодолеваться некото^ый эне^гетический ба^ье^.

Кинетика элект^охимического выделения металла может оп^еделяться ско^остью об^азования т^ехме^ных за^одышей в тех случаях, когда металл осаждается на чуже^одном элект^оде.

Особенности об^азования т^ехме^ных за^одышей должны иметь наибольшее значение для кинетики фазового п^ев^ащения в самом начале п^оцесса возникновения новой фазы. Однако их ^оль может быть велика в том случае, когда ^ост уже имеющихся за^одышей п^актически невозможен и ^азвитие фазы сове^шается че^ез неп^е^ывно повто^яющийся п^оцесс появления новых т^ехме^ных за^одышей. П^и элект^о-к^исталлизации этому отвечают или пе^вые моменты элект^олиза, когда осаждение п^оисходит на подложке из д^угого металла, или же очень быст^ое от^авление пове^хности об^азовавшихся за^одышей, в ^езультате чего п^ек^ащается их дальнейший ^ост. Г^ань к^исталла, ха^акте^изуемая наибольшим ^авновесным током обмена (i⁰ Fe =10^-4 А/м²; i⁰ Al =10² А/м²) [1], должна п^и п^очих ^авных условиях и ^асти. В силу этого начало осаждения железа на алюминии должно соп^овождаться повышенным пе^енап^яжением, что п^ек^ащает ^ост уже об^азовавшихся за^одышей и обеспечивает возникновении новых. Эти неп^е^ывно об^азующиеся новые за^одыши слабо связаны с основой. В ^езультате в п^оцессе контактного обмена об^азуется по^ошок железа в п^икатодной области.

Заключение.

Таким об^азом, п^оведение п^оцесса контактного обмена железа на алюминии дает возможность очищать от ионов железа взятый для исследования элект^олит, используемый для подготовки пове^хности железных деталей пе^ед их железнением, а также получать по^ошкооб^азное железо.

ФГБОУ ВО «Брянский государственный  инженерно технологический университет»

FSBEI HE Bryansk State Engineering and Technology University"

FSBEI HE Bryansk State Engineering and Technology University