Способ получения нитридов

ПАТЕНТУ ов МА; Фролов АН 4 Комитет Российской Федерации ио патентам и товарным знакам ОПИСАНИЕ(75) Омельченко АВ ШелагурГетманова М.Е; Белоусов Г,С.(57) Использование; полученагрессивных средах тепло- ирукционных материалов. Сгазостат помещают сталь и аи/или их отходы, содержащ ИПЛА лимитед" НИТРИДОВ ие прочных стойких в износостойких констщность изобретения: в пав на основе железа ие один или несколько Св) Ж (11) (ЯЦ Б С 01 8 21 Об нитрпдообразуацих элементоа Камеру газостата промывают газообразным азотом промышленной чистоты и азотируют 025 - 75 ч при давлении 15 - 200 МПа Время азотирования прямо пропорционально размеру исходного материара, Температура при получении преимущественно высокодисперсных порошков не менее 800 и не более 1800 ОС, при получа ии кристаллитов не менее 1800 и не более 1400 С. Продукт азотирования растворяют в ЙС 1 осадок отделяют, промывают и сушат. Получают чисть:е порошки и кристаллиты нитридов кремния, алюминия и тд или их смеси. 5 з.пф-пыИзобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для получения высокочистых порошков и кристаллитов нитридов и изготовления иэ них высокопрочных, стойких в агрессивных средах теплр- и иэносостойких иэделий и инструмента.Известны способы получения порошков нитридов различных элементов, базирующиеся на сложных процессах пол учения исходных материалов, содержащих нитридообраэующие элементы, с последующим синтезом нитридов путем осуществления многоступенчатых химических реакций с использованием органических и неоргани ческих химических реактивов.Известен способ получения нитрида кремния из компактного кремния озостатическим прессованием или литьем из аликера порошкас размеромчастицменее 76 мкм 20 или из гранулированного кремния путем азотирования при 680-1500 С, причем азот подают под давлением 0.3 - 29 ати.К недостаткам известного способа, относс251) в качестве исходного материала для получения порошков нитридов и могут быть использованы только специально подготовленные исходные материалы с повышенными требованиями к их чистоте и 30 фракционному составу, что требует создания и использования специального оборудования;2) нитридные структуры образуются только на поверхности исходных материа лов. Внутри каждой азотируемой частицы остается исходный материал. Повторное и многократное повторение процесса азотирования снижает призводительность процесса, а получаемый продукт характери зуется большей дефектностью кристаллической структуры (большим количеством структурных вакансий в подрешетке азота). что существенно снижает физико-механические свойства продукта; 453) получаемые порошки характеризуются наличием переходных структур нитридов элементов, поскольку нитриды этих элементов, соответствующие стехиометрическому составу, образуются только на поверхности 50 аэотируемых частиц. Так, при производстве порошка нитрида кремния наряду с предпочтительной модификацией а - ЯзМ 4 получают смесь а 5 зйао Р Язй 4 с большой долей нитридов кремния переходного со става, Это также существенно снижает потребительские свойства получаемых порошков нитридов и изделий иэ них, В частности, снижаются их прочность, стойкость в агрессивных средах, тепло- и износостойкость, сужается область их применения;4) ограничена возможность регулирования дисперсности получаемых порошков нитридов, что снижает воэможность дифференцированного использования свойств порошков нитридов в иэделиях различного назначения;5) полностью исключается какая-либо возможность получения крупных кристаллов нитридов, использование которых при изготовлении инструмента, в частности режущего, значительно более эффективно, чем использование алмазов вследствие присущей кристаллам нитридов способностям сохранять весь спектр свойств при высоких температурах;6) способ-прототи носит скорее лабораторный характер и неприменим при получении порошков нитридов в крупных промышленных масштабах,Способ по изобретению совершенно уникален, поскольку позволяет разрешить все перечисленные проблемы, возникающие при производстве порошков нитридов известными способами.Сущность изобретения заключается в том, что процесс азотирования ведут при высоких давлениях порядка 15 - 200 МПа, что улучшает диффузию азота. и температуре 800 - 1400 С, Это позволяет использовать в качестве азотирующей среды молекулярный азот промышленной чистоты, содержание кислорода в котором доходитдо 2 и более, В качестве оборудования могут быть использованы серийные установки типа газостатов, например газостаты марки ГТС, Я 0-6015, КПи др., как с приставками по очистке азота, так и без них, В качестве исходного материала, подвергающегося азотированию, могут быть использованы сплавы на основе железа. а также стали и/или их отходы, содержащие один или несколько нитридообразующих элементов, Особо экономичным является осуществление способа при получении порошков и кристаллов, например порошков и кристаллов нитридов кремния из отходов электротехнических марок стали (трансформаторная и динамная), Способ не требует специальной подготовки исходных материалов, подвергаемых азотированию по фракционному составу. Размеры кусков азотируемого материала и их конфигурация выбираются лишь из условия удобства работы с ними и загрузки в рабочий орган(например, газостат), Однако исходя их размеров кусков выбирают продолжительность процесса азотирования:куски больших разме 2001877ров требуют и большей продолжительности аэотирования, Тем не менее исходя из изложенных условий реальная продолжительность процесса составляет, как правило 0,25 - 7,5 ч. По истечении времени азотирования полученный полупродукт растворяют в соляной кислоте, собирают выпавший осадок нитридов, промывают его в воде, сушат и используют по назначению, Ценнейшим продуктом, имеющим большой потребительский спрос, яаляется продукт взаимодействия соляной кислоты с материалом, подвергнувшимся азотированию, а именно хлорное железо, используемое в радиозпектроннике, например, для травления печатных плат. Осуществление предлагаемого способа в режиме безотходного процесса с использованием образующегося хлорного железа как товарной продукции делает способ исключительно экономически эффективным, беэотходным и экологически чистым.Выбор температурных режимов азотирования позволяет получать нитриды в широком диапазоне фракционного состава - от мелкодисперсных порошков. характеризуемых долями микрона, до крупных кристаллов в несколько миллиметров, чего не позволяет ни один иэ известных способов. При этом при более низких температурах процесса аэотирования получают мелкодиперсные порошки, а при более высоких - крупные кристаллиты. Последнее обстоятельство имеет чрезвычайно важное значение при использовании таких кристаллитов при изготовлении инструмента, в частности режущего, так как их использование при изготовлении, в частности, режущего инструмента более эффективно, чем алмазов вследствие присущей кристаллитам нитридов способности сохранять весь спектр свойств при высоких температурах резания в кислородсодержащей среде.Исключительным преимуществом данного способа получения порошков и кристаллов нитридов является возможность их получения в промышленных масштабах с минимальными капитальными затратами,Ниже приведены примеры осуществления способа.П р и м е р 1. Этот пример относится к получению порошка нитрида кремния аЫзМл.В гаэостат ГТСпоместили в равных количествах отходы железокремистого сплава, а именно бедного ферросилиция, содержащего 8,3 о кремния, и отходы трансформаторной (кларки 3406) и динамной (марки 2412) сталей, содержание кремния в которых было примерно равным и составиП р и м е р 3, Этот пример касается 50 получения кристаллитов нитрида кремния/3 -глодификации.Все действия осуществляли, как и в примере 1, однако параметры процесса были выбрани следующими: давление азота 55 100 МПа, температура процесса азотирования 1400"С, продолжительность азотирования 3 ч.В результате были получены иглообразные кристаллиты нитрида кремния/3-моди2001871 П р им е р 5, Этот пример относится к 20 (56) Заявка Великобритании М 1364716,получению порошка нитрида алюминия. кл. С 01 В 21/06, 1974. Формула изобретения Составитель А,ОмельченкоРедактор М,Стрельникова Техред М.Моргентал Корректор М,Куль Тираж Подписное НПО"Поиск" Роспатента 113035, Москва, Ж. Раушская нэб.,4/5Заказ 3152 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 фикэции, размер которых колебался в пределах 3 - 4 мм.П р и м е р 4. Этот пример относится к получению смеси порошков нитридов кремния и алюминия,В качестве исходного материала испольэовали кусочки сплава 10 СЮИ, содержащего 9% кремния и 5 фалюминия.Все операции проводили, как и в примере 1, но при следующих параметрах: давление азота 40 МПа, температура 1000 С, продолжител ность аэотирования 0,5 ч.Полученный продукт представлял собой порошок фракции 20 - 30 мкм, состоящий из смеси нитридов кремния (/3 -Я зМ 4) и алюминия МГ 4),Содержание примесей углерода и кислорода обнаружено не было.1, СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НИТРИДОВ, включающий азотирование материала, содержащего нитридообраэующий элемент, при поуышенных давлении и температуре, отличающийся тем, что в качестве материала, содержащего нитридообразующий элемент, используют стали и сплавы на основе железа и/или их отходы, а их эзотирование ведут азотом промышленной чистоты при давлении 15 - 200 МПа и температуре 800 - 1400 С, причем время азотирования выбирают в прямой зависимости от размеров указанного материала, а температуру - из условия, что низшим значениям температур соответствует получение высокодисперсных порошков, а высшимкристэллитов, после чего продукт азотирования растворяют в соляной кислоте с последующим отделением осадка, его В качестве исходного материала использовали сплав железа с алюминием, содержащим 2 алюминия.Все операции осуществляли, как в при мере 1, но при следующих параметрах азотирования; давление азота 100 МПа, температура процесса - 1000 С, продолжительность азотирования 0.25 ч.Был получен чистый по примесям поро шок нитрида алюминия (АИЧ) с размер частиц 10 - 15 мкм.Сопутствующим результатом всех приведенных примеров осуществления способа было получение хлорного железа, 15 пригодного для использования в качестве икак обычного химического реактива, и как реактива, используемого в радиоэлектронике для травления печатных плат. промывкой и сушкой,2. Способ по п.1, отличающийся тем,что используют стали и сплавы нэ основежелеза и/или их отходы, содержащие несколько нитридообразующих элементов.3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся30 тем. что время азотирования выбирают, равным 0,25 - 7,5 ч.4. Способ по пп. 1 - 3, отличающийсятем, что при получении преимущественновысокодисперсных порошков нитридов35 процесс ведут при температуре не более1200 С.5. Способ по пп. 1 - 3, отличающийсятем, что при получении преимущественнокристэллитов нитридов процесс ведут при40 температуре не менее 1200 С.6. Способ по пп. 1 - 5, отличающийсятем, что азотирование указанного материала ведут в установках типа гаэостатов,