Способ получения тугоплавких неорганически материалов

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВзОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1п1 617 485

Союз Советскии

Социалистических

Республик (51) М, Кл.в С 22С

29/00

С 01В

31/30

С 01В

33/06

С 01В

35/00 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 26.06.75 (21) 2145103/22-26 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) Опубликовано 30.07.78. Бюллетень № 28 (45) Дата опубликования описания 19.07.78

Государственный комитет

Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 546.28 85.07 (088.8) (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТУГОПЛАВКИХ

НЕОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к области полученпя тугоплавких неорганических материалов, например карбидов, боридов, силицидов, нитридов металлов IV — VI групп и твердых сплавов на их основе. Эти материалы обладают высокой твердостью, прочностью, износостойкостью и находят широкое применение в станко-инструментальной, химической и огнеупорной, абразивной промышленности и машиностроении.

Известен способ получения литых тугоплавких неорганических соединений путем нагрева порошка неорганических соединений в электрических печах или электрической дуге при давлении 1 ат до температуры плавления 2000 — 4000 К (1).

Недостатком этого способа является невозможность получепия литых тугоплавких неорганических соединений, таких как

WC, Мо С, СгзС, МоВ и других с качествамп, удовлетворяющими требованиям промышленности, вследствие разложения их при температуре плавления. Другими недостатками способа является получение литых образцов только небольших размеров, необходимость предварительного получения порошка тугоплавкого неорганического соединения, использование сложных установок, малая их производительность и большие затраты электроэнергии.

Твердые сплавы в промышленности получают спеканием порошков тугоплавкого неорганического соединения и металла связки при высоких температурах и давлении (21.

Недостатками этого способа являются получение спеченных образцов только небольших размеров, наличие в них пор и свободного углерода, снижающих их проч10 ность, использование сложных установок, малая нх производительность и большие затраты электроэнергии, Наиболее близким к технической сущности изобретения является способ синтеза

15 тугоплавких неорганических соедннений путем воспламенения смеси металла и неметалла в герметическом сосуде. Синтез основан на использовании тепла химической реакции взаимодействия компонентов

20 реакционной смеси и протекает в режиме горения. Воспламенение смеси производится разогретой вольфрамовой спиралью илп другим известным способом локально в поверхностном слое, 25 Горение осуществляется следующим образом.

Поверхностный слой смеси воспламеняется, реагирует с выделением большого количества тепла, часть которого передается

30 прилегающему холодному слою, который в

617485

15

3 свою очередь прогревается, воспламеняется, реагирует и передает часть тепла соседнему слою. Гаким образом, реакция протекает в тонком слое смеси в зоне горения, где температура достигает 2000—

4000 К. Зона горения перемещается по смеси со скоростью 1 — 15 см/сек (3).

Недостатком этого способа синтеза является получение целевого продукта в порошкообразном виде, что требует дополнительных операций для создания литого продукта.

Цель предлагаемого изобретения — способ получения тугоплавких неорганических материалов: карбидов, боридов, силицидов, нитридов металлов IV — VI групп и твердых сплавов на их основе исключающего перечисленные выше недостатки.

Поставленная цель достигается тем, что в реакционную смесь, состоящую из окислов металлов и восстановителя, например, алюминия, магния, вводят неметалл, например углерод, окисел бора, окисел кремния, азот, а воспламенение проводят локально при давлении газообразной среды.

Для получения твердых сплавов в реакционную смесь, кроме перечисленных компонентов, вводят металл-связку, например никель, кобальт. С целью улучшения качества литых материалов, например устранения пор и раковин, а также ускорения, разделения целевого продукта и шлака синтез проводят в режиме установившегося вращения при перегрузках 100 — 1500 g (ускорение свободного падения). С целью

3 странения испарения летучих компонент процесс проводят под давлением 1000—

5000 ат.

С целью получения композиционных материалов в реакционную смесь вводят легирующие добавки, например марганец, магний.

Предложенный способ синтеза литых тугоплавких неорганических соединений и твердых сплавов опробован на опытных установках.

Пример 1. Получение литого тугоплавкого неорганического соединения Мо С.

Смесь 228 г МоОЗ, 12 г С и 108 r Al перемешивают в смесителе в течение 1 ч.

Смесь засыпают в тугоплавкую форму, имеющую вид цилиндра и уплотняют. Форму со смесью помещают в реактор. Воспламенение смеси проводят нагретой вольфрамовой спиралью при давлении газа в реакторе 1 ат. Горение сопровождается сильным выбросом смеси.

По окончании горения образец выдерживают в реакторе 1 ч, в течение которого заканчивается разделение целевого продукта (Мо С) и шлака (Л1 0,), жидких при температуре синтеза с последующим затвердеванием их в виде разделенных слоев и остыванием до комнатной температуры.

4

Продукт синтеза представляет собой литой образец цилиндрической формы, разделенный на два слоя. Верхний слой, хрупкий А1 0з и С нижний серебристый, прочный Мо С. Выход Мо С составляет 20 от расчетного, вследствие выброса смеси из формы имеются мелкие поры и раковины.

Данные рентгенофазного анализа. Целевой продукт представляет собой смесь

Мо С и Мо.

Данные химического анализа. Содержание связанного углерода, по весу. Расчет на Мо С 5,85; найдено 4,2.

Данные анализа по микротвердости и плотности. Микротвердость 1790 кг/мм .

Плотность 9,1 г/см .

П р и мер 2. Получение литого тугоплавкого неорганического соединения.

Готовят смесь 288 г МоОз, 12 г С и

108 r Al, перемешивают в смесителе в течение 1 ч. Смесь засыпают в тугоплавкую форму, имеющую вид цилиндра, и уплотняют. Форму помещают в бомбу постоянного давления. Воспламенение смеси проводят нагретой вольфрамовой спиралью при давлении аргона в бомбе 100 ат.

Горение протекает без выброса смеси.

По окончанию горения образец извлекают из формы.

Г1родукт синтеза представляет собой литой образец цилиндрической формы, четко разделенный на два слоя. Верхний серый, хрупкий Л1 0з и С, нижний — прочный, серебристый Мо С. Выход Мо С составляет

100 "/о от расчетного. Поры и раковины отсутствуют.

Содержание связанного углерода, о/о по весу. Расчет на Мо С 5,85; найдено 5,6.

Целевой продукт представляет собой

Мо С.

Микротвердость 1790 кг/мм . Плотность

8,8 г/см .

Г! р и мер 3. Получение литого тугоплавкого неорганического соединения Мо С.

Готовят смесь 288 r МоОз, 12 г С и

108 r Л1, перемешивают в смесителе в течение 1 ч. Смесь засыпают в тугоплавкую форму, имеющую вид цилиндра, и уплотняют. Форму со смесью помещают в бомбу высокого давления. Воспламенение смеси проводят нагретой вольфрамовой спиралью при давлении аргона в бомбе 2000 ат. Горение протекает без выброса смеси, По окончанию горения образец извлекают из формы.

Продукт синтеза представляет собой литой образец цилиндрической формы, четко разделенный на два слоя. Верхний серый, хрупкий Л1 0з и С, нижний прочный, серебристый Мо С. Выход Мо С составляет

100 /о от расчетного. Поры и раковины отC) ÒÑÒÐÓÞÒ.

Содержание связанного углерода, /о по весу. Расчет на Мо С 5,85; найдено 5,8.

5 продукт представляет собой

Целевой

МозС.

Микротвердость 1790 кг/ммз. Плотность

8,8 г/смз

Прим ер 4. Получение литого тугоплавкого неорганического соединения МозС.

Готовят смесь 288 r МоОз, 12 г С, 108 г

Al, перемешивают. в смесителе в течение

1 ч. Смесь засыпают в тугоплавкую форму, имеющую вид цилиндра, и уплотняют. Фор- 10 му со смесью помещают на центрифугу, которую приводят во вращение. Перегрузку доводят до 1000 g, после чего смесь воспламеняют разогретой вольфрамовой спиралью при давлении в камере центрифуги 15

1 ат. Горение протекает без выброса смеси.

По окончании горения образец извлекают из формы.

Продукт синтеза представляет собой литой образец цилиндрической формы, четко 20 разделенный на два слоя. Верхний серый хрупкий Л120з и С, нижний серебристый, прочный МозС. Выход МозС составляет

100 "/о от расчетного. Поры и раковины отсутствуют.

Целевой продукт представляет собой смесь Мо2С и Мо.

Содержание связанного углерода, /о по весу. Расчет на МозС 5,85; найдено 4,4.

Микротвердость 1790 кг/мм . 30

Пример 5. Получение литого тугоплавкого неорганического соединения СгзС2.

Готовят смесь 150 г СгОз, 50 r Cr, 20 г

С и 81 r Al, перемешивают в смесителе в течение 1 ч. Смесь засыпают в тугоплавкую 55 форму, имеющую внд цилиндра, и уплотняют. Форму со смесью помещают в реактор.

Воспламенение смеси проводят нагретой вольфрамовой спиралью при давлении в реакторе 1 ат. Горение протекает практи- 40 чески без выброса смеси. По окончании горения образец извлекают из формы.

Продукт синтеза представляет собой литой образец цилиндрической формы, разделенный па два слоя. Верхний серый хруп- 45 кий Л1зОз, нижний серебристый прочный

СгзСз. Выход СгзС составляет 90 /о от расчетного. Имеются мелкие поры и раковины.

Данные рентгенофазного анализа, Целевой продукт представляет собой 50 смесь СГЗС2> СГ4С, Сг.

Содержание связанного углерода, /о по весу. Расчет па Cr3C2 13,3; найдено 10,2.

Микротвердость 1350 кг/мм-".

Пр им ер б. Получение литого тугоплав- 55 кого неорганического соединения VN.

Готовят смесь 552 г ЧзО„.- и 270 г Al, перемешивают в смесителе в течение 1 ч, Смесь засыпают в тугоплавкую форму, имеющую вид цилиндра и уплотняют. Воспла- 60 менение смеси проводят нагретой вольфрамовой спиралью при давлении азота в бомбе 100 ат. Горение протекает без разброса.

По окончании горения образец изглекают нз формы, 65

Продукт синтеза представляет собой литой образец, четко р зделенный на два слоя: верхний — серый хрупкий А1зОз, нижний серо-коричневый прочный VN.

Выход VN составляет 100 от расчетного.

Имеются мелкие поры и раковины.

Целевой продукт представляет собой смесь VN, V3N, V.

Содержание связанного азота, /о по весу. Расчет íà VN 21,6; найдено 11,5.

Пример 7. Получение твердого сплава

45о/ TiC+45o/ Мо2С+10о/о I

Готовят смесь 144 r МоОз, 145 г TIO, 31 г NiO, 28 r С и 180 r Аl, перемешивают в течение 1 ч, смесь засыпают в тугоплавкую форму, имеющую вид цилиндра, и уплотняют. Форму со смесью помещают в реактор. Воспламенение смеси проводят нагретой вольфрамовой спиралью при давлении в реакторе 1 ат. Горение сопровождается сильным разбросом смеси. По окончании горения образец извлекают из формы.

Продукт синтеза представляет собой литой образец цилиндрической формы, разделенный на два слоя. Верхний серый хрупкий А120з, нижний серебристый прочный (твердый сплав). Выход целевого продукта составляет 30 от расчетного.

Целевой продукт представляет собой смесь TiC, Мо2С, Ti, Мо, Ni.

Содержание связанного углерода, /о по весу. Расчет на 45% Мо2С+ 45 /о TiC+;10ß> Ni 8,65; найдено 8,2.

Плотность 6,7 г/см .

Предлагаемый способ позволил получить литые тугоплавкие неорганические соединения металлов 1Ч вЂ” VI групп периодической системы и твердые сплавы, которые в настоящее время в промышленности не получают. Они обладают характеристиками, отвечающими требованиям промышленности.

Получение тугоплавких материалов в режиме горения позволяет получить сразу же литое изделие заданной формы.

Формула изобретения

1. Способ получения тугоплавких неорганических материалов путем локального воспламенения смеси исходных компонентов под давлением газообразной среды, отл ич а ю шийся тем, что, с целью получения литых тугоплавких неорганических материалов, в качестве исходной смеси используют смесь окислов металлов IV — VI групп периодической системы с восстановителем и неметаллом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью получения сплавов, в исходную смесь вводят металл-связку, например никель, кобальт.

3. Способ по п. 1, отл ич а ю щий с я тем, что, с целью устранения испарения летучих компонент, процесс проводят под давлением 1000 — 15000 атм.

4. Способ по п, 1, отличающийся

617485

Составитель T. Валетова

Корректор О. Тюрина

Редактор Л. Герасимова

Техред О. Тюрина

Заказ 136!/11 Изд. ¹ 503 Тираж 763

НПО Государственного комитета Совета Министров СССР пс делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4т5

Подписное

Типография, пр, Сапунова, 2 тем, что, с целью получения композиционных материалов, в исходную смесь вводят легирующую добавку, например марганец, магний.

5. Способ по п. 1, о тлича ю щийся тем, что, с целью устранения раковин и пор, процесс ведут при центробежном ускорении 100 †15 g.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. P. Киффер, П. Шварцкопф. Твердые сплавы. М., «Металлургиздат», 1957, с. 35.

2. P. Киффер, П. Шварцкопф. Твердые сплавы, М., «Металлургиздат», 1957, с. 40.

3. Авторское свидетельство СССР № 255221, кл. С 22С 29(00, 1967.