Оптимизация факторов процесса электролиза с целью получения ультрадисперсного медного электролитического порошка

ОПТИМИЗАЦИЯ ФАКТОРОВ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОЛИЗА С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ УЛЬТРАДИСПЕРСНОГО
МЕДНОГО ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ПОРОШКА

ВНУКОВ А.А., РОСЛИК И.Г., ЧИГИРИНЕЦ Е.Э.

Национальная металлургическая академия Украины,
г. Днепропетровск, Украина, тел.: (+380562) 47-42-44

Постановка проблемы. Известно, что для осуществления электрохимической технологии производства порошков требует-ся соответствующее аппаратурное оформление – электролизе-ры автоматы, либо высокомеханизированные электролизеры [1]. Основным звеном в решении этой проблемы является подбор подходящего материала и создание соответствующей конструк-ции катодов.
Поскольку при электролизе используют высокие плотности тока и весьма агрессивные электролиты, то материал катода должен обладать хорошей электропроводностью и высокой коррозионной стойкостью. Материал катода, определяя начальную картину образования и распределения зародышей на поверхности, во многом обусловливает последующий характер формирования, свойства порошка – его дисперсность, дендритность, насыпную плотность и др., а также удельный расход электроэнергии.
На большинстве заводов применяют медные катоды, харак-теризующиеся хорошей электропроводностью и высокой корро-зионной устойчивостью в кислых сернокислых электролитах. Однако, они имеют существенный недостаток: в процессе экс-плуатации поверхность их становится шероховатой, что влечет за собой ухудшение съема порошка с катодов и даже зарастание их, а плотность тока – неконтролируемой.
В целом медные порошки, полученные методом электроли-за, имеют ряд существенных недостатков. В первую очередь - это низкая насыпная плотность и практически нулевая текучесть, что значительно затрудняет процесс формования заготовок в промышленных условиях. Кроме того, производимые в настоя-щее время методом электролиза медные порошки имеют доста-точно большой размер частиц (50-200 мкм), тогда как современ-ные технологии требуют получения микропорошков (размером до 20 мкм) и нанопорошков [2].
Цели и задачи исследований. Целью настоящей работы явилась оптимизация режимов электролиза для получения хи-мически стабильных ультрадисперсных медных электролитиче-ских порошков с размером частиц менее 20 мкм.
Для достижения поставленной цели в работе авторами ис-следовано влияние материала и формы катода на средний раз-мер и морфологию частиц медного осадка.
Методика исследований. Процесс электролитического осаждения вели с использованием медных растворимых анодов по следующему режиму: плотность тока – 14-16 А/дм2; темпера-тура электролита – 45-50°С; время электролиза – 1 час.
Использовали катоды из следующих материалов: медь, ти-тан, алюминий, нержавеющая сталь марки Х18Н10Т. Форма электродов – пластина и цилиндр.
Для осаждения дисперсной меди использовали сульфатный электролит следующего состава: 125-130 г/л H2SO4, 40 г/л CuSO4•5Н2О. Известно, что ультрадисперсные порошки облада-ют низкой химической стабильностью и склонны к окислению. Поэтому для повышения коррозионной стойкости порошкового осадка меди в электролит вводили специальную добавку – бен-зотриазол (БТА) в количестве 0,05 г/л [3, 4].
По окончании процесса электролиза осадок промывали, подвергали стабилизации, после чего сушили и подвергали раз-молу, после чего определяли средний размер и морфологию ча-стиц меди.
Результаты и их обсуждение. Размер и морфологию по-верхности частиц порошка определяли с помощью растрового электронного микроскопа. Результаты определения среднего размера частиц порошка меди (до размола) приведены на ри-сунках 1 и 2.

Рис. 1. Зависимость среднего размера частиц от материала катода

Рис. 2. Зависимость среднего размера частиц от формы и материала катода

Морфология полученных частиц порошка меди приведена на рис.3.

Cu-катод катод из стали Х18Н10Т

Ti-катод Al-катод
Рис. 3. Морфология частиц медного порошка, осажденного на катоды
из различных металлов
Полученные экспериментальные данные показали следую-щее. Дисперсность медных порошков, в зависимости от матери-ала катода понижается в ряду Аl – Ti - Х18Н10Т - Сu. Удельная поверхность порошков, полученных на алюминиевом и титано-вом электродах, больше, чем на медном. На алюминиевом и ти-тановом катодах образуются более дендритные порошки, чем на катоде из нержавеющей стали. Однако ярко выраженной зави-симости морфологии частиц меди от природы материала катода не обнаружено. Это может быть связано с тем, что ни диффузия, ни миграция разряжающихся ионов не зависят от материала катода. По-видимому, это явление обусловлено особенностями кристаллизации катодного осадка на чужеродной поверхности.
Средний размер частиц порошка, осажденного на катодах цилиндрической формы больше, чем на пластинах. При этом ча-стицы, осажденные на пластину, имеют более разветвленную поверхность дендритов.
Для увеличения дисперсности порошка авторами был про-веден ряд экспериментов по размолу медного осадка в плане-тарной мельнице. После размола также оценивали размер ча-стиц и их морфологию.
В результате эксперимента установлено, что размол позво-ляет уменьшить средний размер частиц порошка, осажденного на меди до 30-40 мкм, а осажденного на остальных рассмотрен-ных материалах катода – до 5-20 мкм. При этом в порошке, оса-жденном на алюминиевом катоде, содержится значительное ко-личество наноразмерных частиц (рис. 4).


Рис. 4. Морфология частиц медного порошка, осажденного на Al-катод,
после размола в планетарной мельнице

В результате размола происходит разрушение дендритной структуры частиц медного осадка. Частицы приобретают оско-лочную форму, которая более выгодна с точки зрения улучше-ния технологических характеристик порошка.
Необходимо отметить, что перевод среднего размера ча-стиц медного порошка в разряд ультрадисперсного позволяет значительно расширить области применения данного продукта.
Выводы:
1. Дисперсность медных порошков, понижается в ряду ма-териалов катода Аl – Ti - Х18Н10Т - Сu.
2. Ярко выраженной зависимости морфологии частиц меди от природы материала катода не обнаружено.
3. Размол позволяет уменьшить средний размер частиц по-рошка, осажденного на алюминии, титане и нержавеющей стали до 5-20 мкм. Наибольшая дисперсность наблюдается у порошка, осажденного на алюминии.
4. Для производства стабильного ультрадисперсного мед-ного электролитического порошка наиболее целесообразно ис-пользование Al-катода с обязательным введением в электролит ингибирующей добавки (например, БТА).
5. Размол осадка в планетарной мельнице позволяет повы-сить уровень технологических свойств порошка (текучесть и насыпную плотность).
6. Результаты исследований могут быть использованы при производстве медного электролитического порошка на
ООО «Электрохимипром», г. Новомосковск, Украина.

Литература:

1. Ничипоренко О.С., Помосов А.В., Набойченко С.С. Порошки меди и ее сплавов.– М.: Металлургия, 1988.– 204 с.
2. Номберг М.И. Производство медного порошка электролитическим способом.- М.: Металлургия, 1971.- 134 с.
3. Внуков А.А., Гальченко Г.Ю., Чигиринец Е.Э., Рослик И.Г., Кирилах Г.И. Исследование химического состава и разработка мероприятий по защите от окисления электролитического медного порошка в процессе получения.// Проблеми корозії та протикорозійного захисту матеріалів, 2010.- №8.- с. 487-492.
4. Внуков А.А., Чигиринец Е.Э., Рослик И.Г. Влияние режима электролиза и функциональных добавок в электролит на свойства и морфологию поверхности частиц медных электролитических порошков// Вестник НТУ «ХПИ» №21.- Харьков, 2009.- с. 15-20.