Способ получения диборида циркония
Владельцы патента RU 2559485:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет" (RU)
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Институт неорганической химии им. А.В. Николаева" Сибирского отделения Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к синтезу диборида циркония, и может быть использовано для изготовления чехлов высокотемпературных термопар, нагревателей высокотемпературных электропечей сопротивления, испарителей и лодочек для вакуумной металлизации, тиглей для прецизионной металлургии, труб для перекачивания расплавленных металлов. Способ получения диборида циркония включает нагрев шихты из смеси двуокиси циркония, карбида бора и высокодисперсного углеродного материала. Нагрев проводят при температуре 1600-1700°С в течение 25-30 минут, при этом частицы карбида бора имеют размер не более 1 микрона, удельная поверхность высокодисперсного углеродного материала составляет 138-160 м2/г, а в качестве высокодисперсного углеродного материала используют нановолокнистый углерод. Предложенный способ направлен на уменьшение энергозатрат. 1 пр.
Предлагаемое изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к синтезу диборида циркония, и может быть использовано для изготовления чехлов высокотемпературных термопар, нагревателей высокотемпературных электропечей сопротивления, испарителей и лодочек для вакуумной металлизации, тиглей для прецизионной металлургии, труб для перекачивания расплавленных металлов.
Известен способ получения диборида циркония взаимодействием порошков двуокиси циркония, борного ангидрида и сажи при температуре 2000°C и времени выдержки 60…240 минут в среде водорода или конвертированного газа (Карасев А.И. Исследование условий получения технического диборида циркония углетермическим восстановлением смесей окислов циркония и бора. Порошковая металлургия, 1973, №11, с.80-84).
Однако указанный способ имеет следующие недостатки. Борный ангидрид перед использованием необходимо размалывать в шаровой мельнице в течение 15 часов, что усложняет процесс. Также это значительные энергозатраты, связанные с проведением процесса при высокой температуре и длительностью его проведения.
Кроме того, известен способ получения диборида циркония (Карасев А.И. Получение порошков технических боридов титана, циркония, хрома и вольфрама борокарбидным методом. Порошковая металлургия, 1973, №10, с.1-5), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и заключающийся в нагреве смеси двуокиси циркония, карбида бора по ГОСТ 5744 и сажи (высокодисперсного углеродного материала) марки ПМ-50 по ГОСТ 7885 при температуре 1900°C в течение 120 минут. Согласно ГОСТ 5744 карбид бора выпускается зернистостями: 16; 12; 10; 8; 5; 4; М40; М28; М20; М14; М10; М7; М5 по ГОСТ 3647. Следовательно, в прототипе использовался порошок карбида бора с размером частиц от 3 до 200 микрон. Сажа марки ПМ-50 в настоящее время не выпускается. Однако известно, что ее удельная поверхность находилась на уровне 50 м2/г (ГОСТ 7885-68).
Однако указанный способ имеет недостаток. Это значительные энергозатраты, связанные с проведением процесса при высокой температуре, длительностью его проведения и обусловленные сравнительно большим размером частиц карбида бора и сравнительно невысоким значением удельной поверхности сажи (высокодисперсного углеродного материала).
Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение энергозатрат при получении диборида циркония.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе получения диборида циркония, заключающемся в нагреве шихты из смеси двуокиси циркония, карбида бора и высокодисперсного углеродного материала, процесс проводят при температуре 1600…1700°C в течение 25…30 минут, при этом частицы карбида бора имеют размер не более 1 микрона, удельная поверхность высокодисперсного углеродного материала составляет 138…160 м2/г, а в качестве высокодисперсного углеродного материала используют нановолокнистый углерод.
Способ осуществляется следующим образом. Порошки двуокиси циркония, карбида бора с размером частиц не более 1 микрона и высокодисперсного углеродного материала (нановолокнистого углерода) с удельной поверхностью 138…160 м2/г просеиваются через сито с размером ячейки 100 мкм. При просеивании происходит перемешивание компонентов шихты. Далее смесь загружается в тигель из стеклоуглерода внутренним диаметром 15 мм и высотой внутреннего пространства 60 мм. Тогда внутренний объем тигля 10,603 см3. При плотности шихты 4,8 г/см3 масса ее примерно равна 35 граммам. Тигель из стеклоуглерода закрывается графитовой крышкой и помещается в кварцевый реактор, который в свою очередь вставляется в индуктор индукционной печи. Для предотвращения азотирования карбида бора кварцевый реактор продувается аргоном. Нагрев шихты производят при температуре 1600…1700°C в течение 25…30 минут.
Температура в реакторе контролируется оптическим пирометром. После остывания реактора прекращается подача аргона, из реактора извлекается тигель, из тигля высыпается продукт реакции (порошок диборида циркония).
Использование в составе шихты более дисперсных, чем в прототипе, карбида бора и высокодисперсного углеродного материала (нановолокнистого углерода) позволяет снизить параметры процесса синтеза диборида циркония (температуру и время процесса) и тем самым уменьшить энергозатраты.
При температурах ниже 1600°C диборид циркония не образуется, о чем свидетельствует отсутствие его рефлексов на дифрактограммах. При температурах, превышающих 1700°C, имеют место непроизводительные энергозатраты. При времени процесса менее 25 минут диборид циркония не образуется, о чем свидетельствует отсутствие его рефлексов на дифрактограммах. При времени процесса более 30 минут имеют место непроизводительные энергозатраты. При использовании карбида бора с размером частиц более 1 микрона времени 25…30 минут при температуре 1600…1700°C оказывается недостаточно для полного завершения процесса образования диборида циркония, о чем свидетельствует наличие на дифрактограммах рефлексов исходных реагентов - двуокиси циркония и карбида бора. При уменьшении величины удельной поверхности порошка нановолокнистого углерода ниже 138 м2/г времени 25…30 минут и температуры 1600…1700°C оказывается недостаточно для полного завершения процесса образования диборида циркония, о чем свидетельствует наличие на дифрактограммах рефлексов исходных реагентов - двуокиси циркония и карбида бора. Увеличение значения удельной поверхности порошка нановолокнистого углерода выше 160 м2/г невозможно при любом времени измельчения.
Таким образом, при использовании карбида бора с размером частиц более 1 микрона и нановолокнистого углерода с удельной поверхностью ниже 138 м2/г при температуре процесса 1600…1700°C и времени процесса 25…30 минут получение диборида циркония невозможно, то есть поставленная задача не достигается.
Пример реализации способа.
Порошки двуокиси циркония, карбида бора со средним размером частиц 0,9 микрон и нановолокнистого углерода с удельной поверхностью 148 м2/г совместно просеиваются через сито с размером ячейки 100 мкм. Далее готовая шихта засыпается в тигель из стеклоуглерода. Тигель закрывается графитовой крышкой и помещается в кварцевый реактор, который в свою очередь вставляется в индуктор индукционной печи. Кварцевый реактор продувается аргоном. Температура процесса 1650°C, время выдержки при этой температуре 27 минут. Рентгенофазовым анализом установлено наличие в продуктах реакции (термообработанной шихте) только одной фазы - диборида циркония.
Способ получения диборида циркония, состоящий в нагреве шихты из смеси двуокиси циркония, карбида бора и высокодисперсного углеродного материала, отличающийся тем, что нагрев проводят при температуре 1600-1700°C в течение 25-30 минут, при этом частицы карбида бора имеют размер не более 1 микрона, удельная поверхность высокодисперсного углеродного материала составляет 138-160 м2/г, а в качестве высокодисперсного углеродного материала используют нановолокнистый углерод.