способ получения ультрадисперсных порошков интерметаллидов иттрия с кобальтом

Формула изобретения

Способ получения ультрадисперсных порошков интерметаллидов иттрия с кобальтом, включающий электролиз расплава при температуре 700°С, отличающийся тем, что ведут электролиз расплава, содержащего хлорид калия, хлорид натрия и хлорид кобальта при плотности катодного тока 2,6-3,2 А/см², в атмосфере четыреххлористого углерода с растворимым иттриевым анодом в качестве источника иттрия, масса которого не должна превышать 1,2% массы электролита, причем расплав содержит компоненты при следующем соотношении, мол.%:

KCl - 47,5-49,5

NaCl - 47,5-49,5

CoCl₂ - 1,0-5,0

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электрохимическому получению ультрадисперсных порошков интерметаллидов иттрия с кобальтом для создания магнитных материалов и ячеек хранения информации.

Известен способ получения наногранулированных порошков YCo₅ механическим помолом отлитых сплавов и последующим их отжигом [Ning Tang, Zhongmin Chen, Yong Zhang, George C. Hadjipanayis, Fuming Yang. Nanograined YCos-based powders with high coercivity // Journal of Magnetism and Magnetic Materials 219 (2000), 173-177], включающий помол порошков в течение 4 часов и отжиг в течение минуты при температуре 950°С. Получаемые наночастицы YCo ₅ имеют линейные размеры около 30-40 нм.

Известен способ получения нанокристаллических порошков YCo ₅ путем механического помола отлитых сплавов с последующим вакуумным отжигом [J.L.Sanchez LI, J.T.Elizalde-Galindo, J.A.Matutes-Aquino. High coercivity nanocrystalline YCo₅ powders produced by mechanical milling // Solid State Communications 127 (2003), 527-530], включающий механический помол отлитых сплавов Y-Co в течение 4 часов и вакуумный отжиг полученных порошков в течение 2,5 минут при температуре 800°С. Получаемые наночастицы YCo₅ имеют линейные размеры около 12 нм.

Общим недостатком приведенных аналогов является высокая длительность и многостадийность процесса, а также энергозатратность. В процессе механического помола происходит загрязнение конечного продукта.

Наиболее близким является способ получения интерметаллидов иттрия и кобальта диффузионным насыщением металлического кобальта иттрием в галогенидных расплавах [А.В.Ковалевский, Н.Г.Илющенко, В.Н.Варкин, В.В.Сорокина. Диффузионное насыщение никеля и кобальта цирконием, лантаном и иттрием в галогенидных расплавах // Известия ВУЗов. Цветная металлургия, 15.10.1988, № 5, с.20-22]. Этим способом можно получить только диффузионный слой в несколько десятков микрон в течение 4 ч. В качестве электролита используют расплав LiCl-KCl-YCl₃, процесс ведут при температуре 700°С.

Недостатком прототипа является невозможность получения изотропных образцов интерметаллидов иттрия с кобальтом. Данным способом получаются монолитные образцы, которые необходимо дополнительно диспергировать для получения ультрадисперсного порошка. Также недостатком данного способа является ограничение скорости протекания процесса диффузией иттрия на поверхность металлического кобальта.

Задача изобретения - получение изотропных по составу ультрадисперсных порошков интерметаллидов иттрия с кобальтом, снижение длительности процесса.

Задача решается следующим образом.

Для электрохимического синтеза изотропных по составу ультрадисперсных порошков интерметаллидов иттрия с кобальтом используют электролит, содержащий хлорид натрия, хлорид калия и хлорид кобальта при следующем соотношении компонентов, мол.%:

KCl - 47,5-49,5

NaCl - 47,5-49,5CoCl ₂ - 1,0-5,0.

Электролиз ведут в двухэлектродной ячейке при температуре 700°С и плотностях катодного тока 2,6-3,2 А/см², в среде четыреххлористого углерода, а в качестве источника иттрия используется растворимый иттриевый анод.

Процесс, протекающий при электрохимическом синтезе, описывается следующими реакциями:

Анодный процесс: Y⁰-3е^- Y³⁺

Переходя в окисленную, растворимую форму, ионы иттрия мигрируют к катоду.

Катодный процесс: Со²⁺+2е^- Со⁰

Y³⁺+3e^- Y⁰

Реакция взаимодействия Y+Co происходит на атомарном уровне:

nY+mCo Y_nCo_m

Способ осуществляется следующим образом: вначале подготавливают используемые соли. Хлориды калия и натрия перекристаллизовывают и тщательно сушат в процессе вакуумирования при ступенчатом нагревании до 300-350°С. Затем проводят сушку хлорида кобальта в атмосфере четыреххлористого углерода, постепенно увеличивая температуру до 400°С.

Растворимый иттриевый анод в виде металлического штабика массой не более 1,2% от массы электролита помещают на дно стеклоуглеродного тигля, к которому подводится электрический ток. В зависимости от массы иттриевого штабика, рассчитывается количество хлорида кобальта, добавляемого в электролит, из условия (Y)/ (CoCl₂)=1/5. Хлориды кобальта, натрия и калия тщательно перемешивают и засыпают в стеклоуглеродный тигель.

Жидкий четыреххлористый углерод наливают на дно кварцевой ячейки и вакуумируют ячейку. В процессе нагревания печи четыреххлористый углерод испаряется, заполняя объем кварцевой ячейки. Электролиз ведут в гальваностатическом режиме при плотностях катодного тока 2,6-3,2 А/см², в течение 40 мин, используя в качестве катода вольфрамовый стержень диаметром 0,3 см.

После проведения электролиза из расплава вынимают грушу интерметаллидов иттрия с кобальтом. После полного остывания до комнатной температуры грушу отмывают дистиллированной водой, после чего порошок высушивают в сушильном шкафу при температуре 150°С.

На Фиг.1 изображена морфология получаемых ультрадисперсных интерметаллических порошков иттрия с кобальтом по данным электронного сканирующего микроскопа.

На Фиг.2 изображен дисперсионный состав получаемых порошков по данным метода динамического светорассеяния.

На Фиг.3 изображен фазовый состав получаемых интерметаллидов по данным рентгенофазового анализа.

Пример 1. Процесс получения изотропных по составу, ультрадисперсных интерметаллидов иттрия и кобальта осуществляют в расплавленной смеси KCl-NaCl-CoCl ₂. Температура 700°С. Катод - вольфрамовый стержень диаметром 0,3 см. Источник иттрия - растворимый иттриевый анод массой 0,18 г. Плотность катодного тока 3,2 А/см². Продолжительность электролиза 40 мин, после чего из расплава вынимают катод с осажденной на нем грушей интерметаллидов иттрия с кобальтом, отмывают грушу от хорошо растворимых в воде хлоридов и сушат полученный осадок. По данным рентгенофазового анализа катодный осадок состоит из интерметаллидов Co₇Y ₃, Co₅Y, Co₃Y, Co₂Y. По данным сканирующей электронной микроскопии и метода динамического светорассеяния ультрадисперсный порошок интерметаллидов иттрия и кобальта состоит из частиц гексаэдрической формы, со средним диаметром 50 нм.

Пример 2. Процесс получения изотропных по составу, ультрадисперсных интерметаллидов иттрия и кобальта осуществляют в расплавленной смеси KCl-NaCl-CoCl₂. Температура 700°С. Катод - вольфрамовый стержень диаметром 0,3 см. Источник иттрия - иттриевый растворимый анод массой 0,18 г. Плотность катодного тока 2,7 А/см². Продолжительность электролиза 40 мин, после чего из расплава вынимают катод с осажденной на нем грушей интерметаллидов иттрия и кобальта, отмывают грушу от хорошо растворимых в воде хлоридов и сушат полученный осадок. Катодный осадок состоит из интерметаллидов Co₅Y, Co ₃Y, CoY, Co₂Y со средним диаметром 143 нм.

Пример 3. Процесс получения изотропных по составу, ультрадисперсных интерметаллидов иттрия и кобальта осуществляют в расплавленной смеси KCl-NaCl-CoCl₂. Температура 700°С. Катод - вольфрамовый стержень диаметром 0,3 см. Источник иттрия - иттриевый астворимый анод массой 0,29 г. Плотность катодного тока 2,6 А/см². Продолжительность электролиза 40 мин, после чего из расплава вынимают катод с осажденной на нем грушей интерметаллидов иттрия с кобальтом, отмывают грушу от хорошо растворимых в воде хлоридов и сушат полученный осадок. Катодный осадок состоит из интерметаллидов Co₅Y, Co₃ Y, CoY, Co₂Y со средним диаметром 159 нм.

Техническим результатом является: получение изотропных по составу, ультрадисперсных порошков интерметаллидов иттрия с кобальтом, повышение скорости синтеза целевого продукта.