Способ получения нитридов тугоплавких металлов

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ПАТЕНТ Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам(71) Московский институт стали и сплавов; Институт структурной макрокинетики РАН(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 1 У - У 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(1)С 2, С 1 04 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 синтеза, охлаждают продукты синтеза в среде азота. Кроме того, в порошок или в смесь порошков металлов-реагентов дополнительно вводят порошок нитрида металла-реагента дисперсностью 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.5 10 15 20 25 30 35 40 Изобретение относится к производствутугоплавких материалов и может быть использовано в. химико-металлургическойпромышленности для синтеза нитридов тугоплавких металлов Ю - Ю групп, в производстве композиционных материалов.Получение нитридов тугоплавких металлов в промышленных условиях осуществляется непрерывной подачей порошкаметалла в зону нагрева печи во взвешенномсостоянии, где происходит непосредственное взаимодействие металла с азотом, Процесс требует использования сложногооборудования, больших временных и энергетических затрат.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ полученияазотированного металла, включающий подготовку исходного порошка путем гранулирования, размещение гранул в проточномреакторе, подачу газообразного азота, инициирование реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза(СВС), при этом азот пропускают через слойнагретого продукта в направлении распространения фронта горения, последующееохлаждение продуктов синтеза в среде азота 11.Недостатком известного способа является необходимость гранулирования исходного порошка металла-реагента дозаданного размера и относительно высокийрасход газообразного азота, необходимыйдля получения высокой глубины превращения. Данный недостаток приводит к трудности управления процессом азотирования, кдополнительным материальным и энергетическим затратам, необходимым для операции грануляции и подачи газообразногореагента,Сущность изобретения заключается втом, что в способе получения нитридов тугоплавких металлов И - Ч 1 групп, включающемподготовку исходного порошка, по крайнеймере одного металла реагента. размещениеего в реакторе, подачу в реактор газообразного азота, инициирование реакции СВС,последующее охлаждение продуктов синтеза в среде азота, согласно изобретениюподготовку порошка осуществляют брикетированием до относительной плотности0,25 - 0,60, инициирование реакции и охлаждение продуктов синтеза проводят в полеакустических колебаний частотой 10020000 Гц и уровнем звукового давления 70120 дБ.Еще одним отличием является то, что впорошок 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 азотируемый металл. Последнее связано с тем, что использование поля 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 1 ниже 100 Гц длина волны акустического поля велика и снижается интенсивность воздействия. При частотах 1 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 о не наблюдается заметного влияния на технологические характеристики процесса. Верхняя граница 30 оь обусловлена пределом устойчивого горения системы в данных условиях.ФП р и м е р 1; Берут порошок титана марки ПТС фракции менее 160 мкм в количестве 200 г, 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 по двум методикам - высокоскоростная киносъемка и микротермопарный 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.Химический и фазовый анализ проводят на установках фирмыЕСО иДРОНсоответственно,Концентрация связанного азота и условная химическая формула продуктов синтеза, а также изменение скорости горения приведены в табл. 2.П р и м е р 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.П р и м е р 3. В условиях примера 1 относительная плотность составляет 0,5, давление азота 0,15 МПа, частота акустического поля 20000 Гц, уровень звукового давления 100 дБП р и м е р 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.П р и м е р 5. В условиях примера 3 в порошок титана дополнительно вводят порошок нитрида титана дисперсностью менее 500 мкм в количестве 3 мас. ф.П р и м е р 6, В условиях примера 3 в порошок титана дополнительно вводят порошок нитрида титана дисперсностью менее 500 мкм в количестве 30 мас. .П р и м е р 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 в реактор газообразный азот поддавлением 0,15 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 давлениядо комнатной температуры. Извлекают продукты синтеза из реактора и проводят исследования химического и фазового состава и структуры.П р и м е р 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.П р и м е р 9 (по прототипу). В условиях 5 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.ТБоровинская И,П. и др. О механизме горения пористых металлических образцов в азоте, ДАН, 1972, 206, 4, с.905-908. локальное тепловое инициирование реакции СВС, Продукты охлаждают в среде азота,Свойства продуктов синтеза приведены20 в табл. 2, При этом скорость горения составляет 1,4 мм/с,П р и м е р 10(по прототипу). В условияхпримера 8 порошок хрома гранулируют доразмера 5 мм. Размещают гранулы в проточ 25 ном реакторе, Подают в реактор газообразный азот со скоростью 10 л/см внаправлении распространения фронта го-рения, Осуществляют локальное тепловоеинициирование реакции СВС и охлаждают30 продукты в среде азота,Свойства продуктов синтеза приведеныв табл. 2. При этом скорость горения составляет 1,5 мм/с.Таким образом, из представленных при 35 меров видно, что использование предлагаемого способа позволяет исключитьоперацию гранулирования и снизить расходгазообразного реагента эа счет увеличенияглубины реагирования и повышения коэф2002842 Таблица 1 Частота акустич, поля,Гц Массовая доля нитрида металла- реагента,Давление азота, МПа Относительная плотность брикета Дисперсность нитрида металла, реагента, мкм Уровень звукового давления,дБ Состав шихты Дисперсность исходного реагента, мкм Номерпримера 0,10,20,15 160 нН 330 500 315 0,15 0,15 0,15 0,15 1606316063процесс горения осуществляют путем пропускания азота со скоростью 10 л см внаправлении распространения фронта горения. Таблица 2 Ф ор мул а изобретениятем, что подготовку порошка осуществля 1, СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НИТРИДОВ ют брикетированием до относительнойТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ й - И 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 колебанийкрайней мере одного металла-реагента из 5 частотой 100 - 20000 Гц и с уровнем звукоЧ - Ю 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 меазота, инициирование реакции саморасп- таллов-реагентов дополнительно вводятространяющегося высокотемпературного 10 порошок нитрида металла-реагента диссинтеза, последующее охлаждение продук- персностью не более 500 мкм в количестветов синтеза в среде азота, отличающийся 3-30 масСоставитель С.БагроваТехред М,Моргентал Корректор М.Керецман Редактор Е.Полионова Тираж Подписное НПО " Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж. Раушская наб., 4/5 Заказ 3218 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Т Т Т Т Т+Т й Т+ТЙТа Сг Та Сг 025 0,60 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 100 20000 20000 20000 20000 20000 20000 70 120 100 100 100 100 100