Способ получения порошков карбидов титана и вольфрама
METHOD FOR OBTAINING TITANIUM AND TUNGSTEN CARBIDE POWDERS

Изобретение относится к неорганической химии, в частности к получению порошков карбидов титана и вольфрама, и может найти применение в создании защитных и упрочняющих покрытий, а также в производстве конструкционных и инструментальных материалов, способных работать при высокой температуре, в агрессивных средах и при больших нагрузках.
Известен СВС-способ получения карбида титана (патент на изобретение РФ 1570225, МПК С01В 31/30, дата публикации 27.08.2003), включающий локальное воспламенение и высокотемпературное взаимодействие в режиме горения смеси порошков титана и углерода, окруженной оболочкой из пористого материала. С целью повышения выхода карбида титана и улучшения его абразивных свойств в качестве пористого материала используют кварцевый песок, а локальному воспламенению подвергают инициирующую шихту из порошков титана и углерода, имеющую скорость горения, в 1,5-2 раза превышающую скорость горения основной смеси порошков, которую помещают в центр исходной основной смеси.
Недостатком известного способа является сложное аппаратурное оборудование ввиду применения высокотемпературного взаимодействия в режиме горения смеси порошков титана и углерода.
Известен способ получения карбида титана (патент на изобретение РФ 2175988, МПК С22В 34/12, дата публикации 20.11.2001) путем взаимодействия титановых порошков с сажистым углеродом. Исходную смесь предварительно выдерживают в вакууме при температуре 746-946°С в течение 60-120 мин. После этого ее непрерывно подают в реакционную зону аппарата при температуре 1431-1546°С. Благодаря такому решению отпадает необходимость в сложной аппаратуре и исключается выделение реакционных газов, что позволяет увеличить производительность в 2-3 раза и снизить стоимость получаемого карбида на 25-30%.
Недостатком известного способа является применение дополнительного оборудования ввиду необходимости создания вакуума.
Известен способ получения карбида вольфрама (патент на изобретение РФ 2179950, МПК С01В 31/34, дата публикации 10.03.2002), включающий взаимодействие вольфрамата натрия с углеродом, при котором процесс ведут на внутренней поверхности герметично закрытого графитового контейнера в среде инертного газа в течение 1-2 ч., поддерживая при этом соотношение объемов загружаемого вольфрамата натрия и контейнера в пределах 1-10:20.
Недостатком известного способа является применение дополнительного оборудования ввиду необходимости создания среды инертного газа.
Известен способ получения ультрадисперсного порошка сложного карбида вольфрама и титана (патент на изобретение РФ 2562296, МПК С01В 31/34, дата публикации 10.09.2015), путем обработки микроволновым излучением с постепенным нагревом до 1350-1400°С.
Недостатками известного способа является сложное аппаратурное оформление ввиду применения микроволнового излучения и применение дополнительного оборудования ввиду необходимости создания тока аргона.
Известен способ получения карбида вольфрама (патент на изобретение РФ 2394761, МПК С01В 31/34, дата публикации 20.07.2010) механохимической активацией смесей металлического вольфрама с углеродным материалом и последующим прокаливанием в среде инертного газа. В качестве углеродного материала используют графит, или антрацит, или активированный уголь, или сажу, или углеродные ксерогели, или нановолокнистый углерод, или углеродные волокна из полиакрилонитрила, или их любые смеси. Углеродный материал и вольфрам берут в количестве, обеспечивающим отношение, превышающее необходимое для образования карбида вольфрама на 10-50%. Температуру прокаливания выбирают из интервала 650-800°С.
Недостатком известного способа является применение дополнительного оборудования ввиду необходимости создания среды инертного газа.
Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является способ получения нанодисперсных порошков карбидов вольфрама и титана методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) (патент на изобретение РФ 2508249, МПК С01В 31/34, дата публикации 27.02.2014), включающий приготовление смеси компонентов, состоящей из экзотермической части, включающей исходный тугоплавкий материал, углеродный материал и при необходимости добавку, термообработку смеси в режиме горения в токе аргона и последующую обработку продуктов синтеза, при этом в качестве исходного тугоплавкого материала используют смесь вольфрама и титана, которые подвергают предварительной механохимической обработке в механохимическом активаторе при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: W 18,8-71,6 Ti 15,3-64,0 С 11,7-17,3, после чего проводят термообработку активированной смеси в режиме горения, в качестве добавки используют кобальт или никель, которые вводят в смесь исходных компонентов либо на стадии предварительной механохимической обработки, либо на стадии последующей обработки продуктов синтеза в количестве не более 15 мас.ч.
Недостатком известного способа является применение дополнительного оборудования ввиду необходимости создания тока аргона и сложное аппаратурное оформление ввиду применения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.
Задача изобретения состоит в упрощении технологического процесса получения порошков карбида титана и вольфрама
Технический результат достигается тем, что в способе получения порошков карбидов титана и вольфрама смешивают порошки каждого из указанных металлов с электротехнической сажей, подвергают предварительной механохимической обработке исходной смеси с последующим нагревом в электрокамерной печи и механохимической обработкой продуктов синтеза, согласно изобретению, после механической обработки металла и элетротехнической сажи в смесь вводят 10%-ный водный раствор поливинилового спирта, который в ходе постадийного нагрева смеси подвергают деструкции до газообразных продуктов, которые отсутствуют в конечном продукте.
Газообразные продукты распада поливинилового спирта используют в качестве интермедиата для взаимодействия металла с элетротехнической сажей, что освобождает от необходимости создания вакуума и инертных газов.
Исходными компонентами среды являются порошок металла (порошок вольфрама с размером частиц 0,8-1,5 мкм, порошок титана с размером частиц 1,0-1,6 мкм), электротехническая сажа, поливиниловый спирт (далее ПВС, процент омыления - 95%).
Соответствие заявленного решения критерию изобретения «промышленная применимость» показано на примерах конкретного выполнения способов получения карбидов титана и вольфрама.
Приводимые ниже примеры позволяют проиллюстрировать изобретение, однако не ограничивают его.
Пример 1. Способ получения порошка карбида титана
Готовят смесь порошка титана и электротехнической сажи в следующем соотношении (по массе): 79-81% титана и 19-21% сажи. Полученную смесь перетирают на механической ступке: 1 кг смеси перетирают в течение 6 минут. При увеличение массы смеси время увеличивают пропорционально массе исходя из заданной разовой загрузки.
Затем готовят 10%-ный водный раствор ПВС. Смешивают полученный водный раствор ПВС с перетертой смесью порошка металла и сажи в следующем соотношении (по массе): 20% водного раствора ПВС и 80% смеси металла и сажи. Полученную смесь перетирают на механической ступке: 1 кг смеси перетирают 8 минут (разовая загрузка).
Далее смесь заливают в керамические тигли на 80%) от его объема, закрывают крышкой и помещают в электрокамерную печь, нагретую до 110°С, выдерживают при температуре 110°С: 1 кг смеси выдерживают 30 минут, 2 кг - 1,5 часа, 3 кг - 3 часа.
Затем производят нагрев печи до 450°С со скоростью 2-3°С/мин и выдерживают смесь при температуре 450°С: 1 кг смеси выдерживают 2 минуты, 2 кг - 2,5 минуты, 3 кг - 3 минуты.
После этого производят нагрев печи до 850-1050°С в зависимости от исходного размера частиц титана со скоростью 4-5°С/мин и выдерживают смесь при температуре 850-1050°С: 1 кг смеси выдерживают 1,5 часа, 2 кг - 3,5 часа, 3 кг - 5 часов. По окончании синтеза тигли извлекают из печи, их содержимое перемещают на механическую ступку и перетирают: 1 кг смеси перетирают 4 минуты (разовая загрузка).
Определение содержания свободного непрореагировавшего углерода с смеси производят 20% раствором гидроксида натрия при температуре 60°С. Формирование связей металл-углерод контролируют методом ИК-спектроскопии. Размер карбида титана, полученного данным способом, составляет - 1,0-1,6 мкм. Количество непрореагировавшего углерода составляет 0,5-0,8%) (по массе).
Пример 2. Способ получения порошка карбида вольфрама
Готовят смесь порошка вольфрама и электротехнической сажи в следующем соотношении (по массе): 92-95% вольфрама и 5-8% сажи. После этого повторяют операции, указанные в первом примере, вплоть до нагрева смеси до 450°С и выдержке при данной температуре.
После этого производят нагрев печи до 950-1200°С в зависимости от исходного размера частиц вольфрама со скоростью 4-5°С/мин и выдерживают смесь при температуре 950-1200°С: 1 кг смеси выдерживают 1,5 часа, 2 кг - 3,5 часа, 3 кг - 5 часов. По окончании синтеза тигли извлекают из печи, их содержимое перемещают на механическую ступку и перетирают: 1 кг смеси перетирают 4 минуты (разовая загрузка).
Определение содержания свободного непрореагировавшего углерода с смеси и формирование связей металл-углерод контролируют аналогично примеру 1. Размер карбида вольфрама, полученного данным способом, составляет 0,8 мкм. Количество непрореагировавшего углерода составляет 0,5-0,8% (по массе).
Предложенный способ получения порошков карбидов титана и вольфрама позволяет получить качественный конечный продукт путем воздействия низких температур с использованием доступного оборудования.