Получение порошков электролизом расплавленных сред

Получение порошков сплавов

Несмотря на кажущуюся простоту, электролитическое выделение многокомпонентных металлических порошков в промышленных масштабах не осуществляют прежде всего из-за быстрого изменения состава электролита в процессе электролиза, что приводит к получению на катоде порошка меняющегося химического состава и дисперсности.

Перспективным является проведение электролиза с несколькими растворимыми анодами из индивидуальных компонентов, входящих в состав сплава.

Примером подобного процесса является технология получения двухкомпонентного железокобальтового порошка с использованием трех анодов: двух растворимых (железный и кобальтовый) и одного нерастворимого (свинцовый). Нерастворимый анод используется в сочетании с дополнительным электродом из железной сетки. Катод никелевый или из нержавеющей стали. Электролизер питается током от трех выпрямителей с регулируемым напряжением, что позволяет независимо регулировать токи, проходящие через аноды. Температура электролита 20–25 ° С, катодная плотность тока 1000–3000 А/м². На катоде совместно разряжаются ионы железа, кобальта и водорода. Ток на свинцовом аноде должен соответствовать сумме токов на катоде и сетке. Меняя соотношение Co²⁺/Fe²⁺ в растворе и соотношение анодных токов, можно получать железокобальтовые порошки любого заданного состава от чистого железа до чистого кобальта с размером частиц от нескольких до сотен микрометров.

Аналогично рассмотренному могут быть получены железоникелевые порошки любого заданного состава. В электролизере располагают два растворимых анода из малоуглеродистого железа и никеля и один нерастворимый анод из угля или графита, применяемый в сочетании с дополнительным электродом из железной или никелевой сетки.

Электролитом служит подкисленный соляной кислотой до рН 2,5 смешанный раствор сульфатов железа FeSО₄ и никеля NiSО₄. Температура электролита 20–30 °С. Катодная плотность тока находится в пределах от 2000 до 20000 А/м². Размер частиц порошка зависит от катодной плотности тока и при ее величине в 3 000 А/м² не превышает 200–300 мкм.

Бронзовый порошок (92 % Сu и 8 % Sn) получают из лимонно-кислого электролита, содержащего CuCl₂, SnCl₂ и цитрат натрия (комплексообразователь); плотность тока 1600 А/м², температура электролита 30 °С, рН 2. Можно использовать триполифосфатный электролит, содержащий сульфат меди и хлорид олова.

Большинство металлических порошков из расплавов получают с использованием хлоридов, фторидов или смеси этих соединений. В герметичных электролизерах создают инертную газовую атмосферу (чаще всего аргон) или вакуум.

Структура катодных осадков зависит от условий их осаждения. При этом большое влияние на характер выделяемого осадка оказывают состав электролита, степень его чистоты, а также материал и состояние поверхности катода. Известно, что при наличии ничтожных следов влаги осадки выделяются в виде губки, а при содержании в электролите небольших количеств примесей железа или марганца образуются осадки в виде черного порошка.

Одним из способов освобождения порошков от находящегося вместе с ними электролита является удаление последнего отгонкой нагреванием или центрифугированием, а также отмыванием.

На выход по току влияют состав и температура электролита, плотность тока, расстояние между электродами и другие факторы.

Состав электролита. Этот фактор на выход по току оказывает наиболее сильное влияние. Одной из основных причин отклонения выхода по току от 100 % является растворимость металла в электролите с последующим окислением анодными продуктами, в связи с чем желательно ее понизить. Так, добавки солей с более электроотрицательными катионами по сравнению с выделяющимся на катоде металлом значительно понижают растворимость металла в расплавленном электролите и этим повышают выход по току.

Температура электролита. Электролиз стараются вести при температурах, превышающей температуру плавления компонентов электролита, но ниже температуры плавления выделяемого на катоде металла. Образующиеся продукты реакции (соединения металлов пониженной валентности) обладают высокой упругостью паров, следовательно, с увеличением температуры электролита потери металлов возрастают и по этой причине. Кроме того, с повышением температуры возрастает циркуляция электролита в ванне, способствующая уносу металлов, растворенных в нем после их выделения на катоде, в анодное пространство. Часто для снижения температуры плавления электролита в него вводят добавки солей (обычно хлористые и фтористые соединения щелочных и щелочно-земельных металлов), у которых катионы электроотрицательнее выделяемого металла.

Плотность тока. Выход по току растет с увеличением плотности тока. Поэтому оптимальное значение плотности тока будет соответствовать наибольшему выходу по току, при котором уменьшение потерь выделяемого металла вследствие его вторичного растворения в электролите не будет сопровождаться сильным повышением разряда катионов металла с более электроотрицательным потенциалом. Однако слишком высокая плотность тока увеличивает падение напряжения в слое электролита и повышает расход электроэнергии. Кроме того, при высоких плотностях тока возможно также протекание побочных процессов – выделение на катоде наряду с основным металлом другого, более электроотрицательного металла, присутствующего в электролите.

Межэлектродное расстояние. В связи с наличием факторов, вызывающих потери металла при электролизе расплавленных солей (растворением выделенного металла, переносом его от катода к аноду и взаимодействием растворенного металла с газами, образующимися на аноде), расстояние между электродами тоже влияет на выход по току. С увеличением межэлектродного расстояния перенос растворенного металла от катода к аноду диффузией, конвекцией и циркуляцией затрудняется вследствие удлинения пути перемещения металла, уменьшения градиента концентрации растворенного металла в межэлектродном пространстве, а также из-за уменьшения скорости циркуляции электролита при большем объеме расплава, приводимого в движение одним и тем же количеством анодных газов. В результате абсолютные потери металла уменьшаются, а выход по току возрастает.

Анодный эффект. Анодным эффектом называют явление резкого возрастания напряжения на ванне с одновременным падением силы тока и появлением характерных искровых разрядов на аноде. При возникновении анодного эффекта электролит оказывается отделенным от поверхности анода прослойкой выделяющегося на нем газа, т.е. наблюдается ухудшение смачиваемости анода электролитом. Увеличение в электролите концентрации поверхностно-активных веществ, хорошо смачивающих анод и имеющих небольшое поверхностное натяжение на границе раздела электролит – анод (хлоридов щелочных металлов или растворимых оксидов), приводит к повышению критической силы тока, вызывающей анодный эффект. Это особенно важно для электролизеров, в которых анод, имеющий сравнительно небольшую рабочую поверхность, выполнен из углеграфитовых материалов.