Способ получения нитридов тугоплавких металлов

 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5049609/02 (22) 25.06.92 (46) 15.11.93 Бюл Иа 41 — 42 (71) Московский институт стали и сплавов; Институт структурной макрокинетики PAH (72) Левашов ЕА; Вадченко С.Г.; Теренин ЕП.; Анто— нова НН; Питюлин А.Н.; Боровинская И.П.; Мержанов

А.Г; Мукасьян АС. (73) Московский институт стали и сплавов (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НИТРИДОВ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ (57) Изобретение относится к производству тугоплавких материалов и может быть использовано в химико — металлургической промышленности при синтезе нитридов тугоплавких металлов IY — Yl групп Периодической системы элементов. Сущность изобретения заключается в том, что порошок по крайней мере одного металла-реагента брикетируют до относительной плотности 0,25 — 0,60, размещают брикет в реакторе, подают в реактор (в) RU (и) 2002842 С1 (ss)s сггс о4 газообразный азот под давлением 0,1 — 0,3 МПа, включают источник акустических колебаний частотой 100 — 20000 Гц и уровнем звукового давления

70 — 120 дБ, инициируют реакцию самораспространяющегося высокотемпературного синт еза, охлаждают продукты синтеза в среде азота. Кроме того, в порошок или в смесь порошков металлов-реагентов дополнительно вводят порошок нитрида металла-реагента дисперснос-ью на более 500 мкм в количестве 3 — 30 мас.%. Использование предлагаемого способа позволяет исключить операцию гранупирования, снизить расход газообразного реагента за счет увеличения глубины реагирования и повышения коэффициента проницаемости при фильтрации газообразного азота через слой металла-реагента. Последнее связано с тем, что акустические колебания снижают фильтрационные затруднения и интенсифицируют процесс реакционной диффузии. 2 табл. 1 з.п. ф-лы.

2002842

30 та (11

Изобретение относится к производству тугоплавких материалов и может быть использована в. химико-металлургической промышленности для синтеза нитридов тугоплавких металлов IV — Vl групп, в производстве композиционных материалов.

Получение нитридов тугоплавких металлов в промышленных условиях осуществляется непрерывной подачей порошка металла в зону нагрева печи во взвешенном состоянии, где происходит непосредственное взаимодействие металла с азотом. Процесс требует использования сложного оборудования, больших временных и энергетических затрат.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ получения азотированного металла, включающий подготовку исходного порошка путем гранулиравания, размещение гранул в проточном реакторе, подачу газообразного азота, инициирование реакции самораспространяющегася высокотемпературного синтеза (СВС), при этом азот пропускают через слой нагретого продукта в направлении распространения фронта горения, последующее охлаждение продуктов синтеза в среде азоНедостатком известного способа является необходимость гранулирования исходного порошка металла-реагента да заданного размера и относительно высокий расход газообразного азота, необходимый для получения высокой глубины превращения. Данный недостаток приводит к трудности управления процессам азотирования, к дополнительным материальным и энергетическим затратам, необходимым для операции грэнуляции и подачи газообразного реагента.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе получения нитридов тугоплавких металлов И вЂ” VI групп, включающем подготовку исходного порошка, по крайней мере одного металла реагента. размещение его в реакторе, подачу в реактор газообразного азота, инициирование реакции СВС, последующее охлаждение продуктов синтеэа в среде азота, согласно изобретению подготовку порошка осуществляют брикетированием до относительной плотности

0,25 — 0,60, инициирование реакции и охлаждение продуктов синтеза проводят в поле акустических колебаний частотой 100—

20000 Гц и уровнем звукового давления 70120 дБ.

Еще одним отличием является то, что в порошах или смесь порошков металлов-реагентов дополнительно вводят порошок нитрида металла-реагента дисперсностью не более 500 мкм в количестве 3 — 30 мас. .

Использование предлагаемого изобретения позволяет исключить операцию гранулирования, снизить расход газообразного реагента за счет повышения глубины реагирования и повышения коэффициента проницаемости при фильтрации газообразного азота через эзотируемый металл. Последнее связано с тем, что использование паля мощных акустических колебаний в указанном диапазоне частот снижает фильтрационные затруднения и интенсифицирует процесс реакционной диффузии, что позволяет увеличить выход нитрида металла и управлять процессом азотирования. . Выбор диапазонов обусловлен тем, что при частотах f ниже 100 Гц длина волны акустического поля велика и снижается интенсивность воздействия. При частотах f выше 20000 Гц длина акустической волны мала и.не снимает фильтрационных затруднений.

Акустические поля с уровнем звукового давления менее 70 дБ не оказывают существенного влияния на процесс азотирования.

Верхняя граница 120 дБ соответствует болевому порогу и дальнейшее увеличение вызывает необходимость сооружения специальных шумозащитных конструкций.

При содержании нитрида металла-реагента менее 3 7 не наблюдается заметного влияния на технологические характеристики процесса. Верхняя граница 30 7; обусловлена пределом устойчивого горения системы в данных условиях.

Ф

Пример 1; Берут порошок титана марки ПТС фракции менее 160 аахм в количестве 200 r, брикетируют на гидравлическом прессе до относительной плотности

0,25. Размещают полученный брикет в стальном цилиндрическом реакторе постоянного давления, снабженном источником акустических колебаний частотой 10 Гц с уровнем звукового давления 70 дБ, Подводят к брикету вольфрамовую спираль. Подключают спираль к электрической цепи.

Подают в реактор газообразный азот под давлением 0,1 МПа. Проводят измерение линейной скорости горения одновременно па двум методикам — высокоскоростная киносъемка и микротермапарный анализ. Охлаждают продукты синтеза до комнатной температуры в поле акустических колебаний при той же частоте и интенсивности, Конкретные режимы осуществления способа приведены в табл, 1.

Извлекают продукты синтеза из реактора для проведения исследований химического и фазового состава и структуры.

2002842

Химический и фазовый анализ проводят на установках фирмы бЕСО и ДРОН-2 соответственно.

Концентрация связанного азота и условная химическая формула продуктов синтеза, а также изменение скорости горения и ри в еде н ы в табл. 2.

Пример 2. В условиях примера 1 относительная плотность составляет 0,6, давление азота 0,2 МПа, частота акустического поля 20000 Гц, уровень звукового давления 120 дБ.

Пример 3. В условиях примера 1 относительная плотность составляет 0,5, давление азота 0,15 МПа, частота акустического поля 20000 Гц, уровень звукового давления 100 дБ.

Пример 4 (по прототипу). В условиях примера 1 порошок титана гранулируют до размера 5 мм. Размещают гранулы в реакторе, подают в реактор газообразный азот со скоростью 10 л/см в направлении распространения фронта горения. Осуществляют локальное инициирование реакции СВС и охлаждают продукты синтеза в среде азота, В табл, 2 приведены свойства продуктов синтеза. При этом скорость горения составляет 1,8 мм/с.

Пример 5. В условиях примера 3 в порошок титана дополнительно вводят порошок нитрида титана дисперсностью менее 500 мкм в количестве 3 мас. g,.

Пример 6, В условиях примера 3 в порошок титана дополнительно вводят порошок нитрида титана дисперсностью менее 500 мкм в количестве 30 мас. Д.

Пример 7. Берут порошок тантала фракции 160 мкм в количестве 160 г, брикетируют на гидравлическом прессе до относительной плотности 0,5, Размещают полученный брикет в реакторе для синтеза тугоплавких соединений. снабженном источником акустических колебаний, Подают

s реактор газообразный азот поддавлением

О, l5 МПа. Включают источник акустических колебаний частотой 20000 Гц с уровнем звукового давления 100 дБ и инициируют реакцию СВС. Проводят измерение линейной скорости горения. Охлаждают продукты синтеза в поле акустических колебаний при той же частоте и уровне звукового давления до комнатной температуры. Извлекают продукты синтеза из реактора и проводят исследования химического и фазового состава и структуры.

Пример 8. Берут порошок хрома дисперсностью менее 63 мкм в количестве

160 г и брикетируют до относительной плотности 0,5. Эксперимент проводят в условиях примера 7.

Пример 9 (по прототипу). В условиях

10 примера 7 порошок тантала гранулируют до размера 5 мм. Размещают гранулы в проточном реакторе. Подают газообразный азот со скоростью 10 л/см в направлении распространения фронта горения, осуществляют

40 фициента проницаемости при фильтрации газообразного азота через слой металла-реагента. Последнее связано с тем, что акустические колебания снижают фильтрационные затруднения и интенсифицируют процесс реакционной диффузии.

45 (56) Мержанов А.Т., Боровинская И.П. и др.

О механизме горения пористых металли <еских образцов в азоте. ДАН, 1972, 206, 4, с.

905 — 908. локальное тепловое инициирование реакции СВС, Продукты охлаждают в среде азота.

Свойства продуктов синтеза приведены

20 в табл. 2. При этом скорость горения составляет 1,4 мм/с, Пример 10(по прототипу). В условиях примера 8 порошок хрома гранулируют до размера 5 мм. Размещают гранул ы в проточ25 ном реакторе. Подают в реактор газообоазныЙ азот со сKopocTbþ 10 л/см в направлении распространения фронта горения, Осуществляют локальное тепловое инициирование реакции СВС и охлаждают

30 продукты в среде азота.

Свойства продуктов синтеза приведены в табл. 2. При этом скорость горения составляет 1,5 мм/с.

Таким образом, из представленных при35 меров видно, что использование предлагаемого способа позволяет исключить операцию гранулирования и снизить расход газообразного реагента эа счет увеличения глубины реагирования и повышения коэф2002842

Таблица1

Частота акустич. поля,Гц

Массовая доля нитрида металлареагента, Давление азота. МПа

Относительная плотность брикета

Дисперсность нитрида металла, реагента, мкм

Уровень звукового давления,дБ

Состав шихты

Дисперсность исходного реагента, мкм

Номер примера

100

0,1

0,2

0,15

<160 н

30

<500

<315

0,15

0,15

0,15

0,15

° 1

<160

<63

<160

<63

* процесс горения осуществляют путем пропускания азота со скоростью 10 л - см в направлении распространения фронта горения.

Таблица2

Формула изобретения тем, что подготовку порошка осуществля1, СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НИТРИДОВ ют брикетированием до относительной

ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ IV - Vl групп плотности 0,25 -. 0,60, инициирование реакПериодической системы элементов, вклю- ции и охлаждение продуктов синтеза прочающий подготовку исходного порошка по водят в поле акустических колебаний крайней мере одного металла-реагента из 5 частотой 100 - 20000 Гц и с уровнем звукоIV - VI групп Периодической системы эле- вого давления 70- 120 дб. ментов, размещение исходного металла в 2, Способ по п.1, отличающийся тем, реакторе, подачу в.реактор газообразного что в порошок или в смесь порошков ме) азота, инициирование реакции саморасп- таллов-реагентов дополнительно вводят ространяющегося высокотемпературного 10 порошок нитрида металла-реагента диссинтеза, последующее охлаждение продук- персностью не более 500 мкм в количестве тов синтеза в среде азота, отличающийся 3-30 мас.

Составитель С. Багрова

Техред M. Морген тал Корректор М.Керецман

Редактор E.Ïîëèîíîâý

Тираж Подписное

НПО " Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Заказ 3218

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

2

4

6

8

10

Ti

Ti

Ti

Ti

Ti+Ti N

Т!+Т!Й

Та

Cr

Та

0,25

0,60

0,50

0,50

0,50

0,50

0,50

20000