Способ получения нанокристаллического порошка титан-молибденового карбида
METHOD OF OBTAINING NANOCRYSTALLINE TITANIUM POWDER-MOLYBDENUM CARBIDE POWDER

Изобретение относится к химической технологии и может быть использовано в инструментальной промышленности в качестве тугоплавкой основы безвольфрамовых твердых сплавов.
0
Известен способ получения микрочастиц порошка карбида титана в потоке плазмы с применением в качестве сырья порошкового титана. Роль плазмообразующего газа выполняет аргон, а газом-охладителем и одновременно реакционным газом являлся метан. Температура потока плазмы составляла 6000 С, давление плазмообразующего газа изменялось от 0,5 до 100 кПа (патент JP 6061929, МПК C01B 31/30, 2017 г.).
В качестве основного недостатка известного способа получения частиц карбида титана можно назвать высокую сегрегацию процесса, несмотря на то, что после закалочных процессов в среде газообразного метана подразумевается разделение переработанного продукта средний размер полученных частиц может изменяться от 27 нм до 1 мкм. Кроме того, способ не обеспечивает получение упрочненного карбида титана.
1-x
x
Наиболее близким к предлагаемому решению является способ получения титан-молибденового карбида состава TiMoC путем использования самораспространяющегося высокотемпературного синтеза исходной смеси порошков титана, молибдена, никеля и источника углерода с последующим осаждением титан-молибденового карбида из расплава при охлаждении (http://www.virginia.edu/ms/ research /wadley/Documents /Publications/ Ni_Bonded_TiC_Cermet.pdf).
0
0
0
0
1-x
x
Основным недостатком известного способа является невозможность практически  полного испарения первичных продуктов, особенно карбида титана за счет недостаточно высокой температуры процесса (не более 4000С). Температура плавления TiC составляет 3260±150С, а температура кипения или испарения -3400С. Вторым существенным недостатком можно обозначить отсутствие сепарирующих технологий в том числе и высокодисперсных продуктов, позволяющих фракционировать продукты синтеза. Третьим недостатком является неполнота процесса формирования титан-молибденового карбида, то есть в процессе получения формируется только оболочка, содержащая TiMoC.
Таким образом, перед авторами стояла задача разработать способ получения титан-молибденового карбида в индивидуальной форме, обеспечивающего как нанокристаллическое состояние конечного продукта, так его пригодность к длительному хранению и дальнейшему использованию.
Поставленная задача решена в способе получения титан-молибденового карбида, включающем высокотемпературную обработку исходной смеси порошков соединения титана и молибдена с последующим охлаждением, в котором в качестве соединения титана используют карбид титана при массовом соотношении карбид титана: молибден, равном 8:2, а высокотемпературную обработку осуществляют в потоке низкотемпературной азотной плазмы при температуре плазмы 4000-6000°С при мощности плазмотрона 2.4-3.6 кВт/ч и скорости потока плазмы 45-50 м/с. при этом скорость подачи исходного смеси равна 150-180 м/с, после чего охлаждают в потоке азота, улавливают продукт на поверхности тканевого фильтра с последующим капсулированием.
В настоящее время из научно-технической в патентной литературы не известен способ получения титан-молибденового карбида путем обработки смеси карбида титана и молибдена в массовом соотношении 8:2 в потоке низкотемпературной азотной плазмы при температуре плазмы 4000-6000°С при мощности плазмотрона 2.4-3.6 кВт/ч, скорости потока плазмы 45-50 м/с и скорости подачи исходной смеси 150-180 м/с, охлаждения в потоке азота, улавливания продукта на поверхности тканевого фильтра и его капсулирования.
В предлагаемом способе получения титан-молибденового карбида с использованием плазмохимического синтеза по схеме плазменной переконденсации в низкотемпературной азотной плазме обеспечивается формирование нанокристаллических зерен карбида титана, обогащенного молибденом. Характерной особенностью способа получения является практически полное испарение исходных составляющих механической смеси в виде металлического молибдена и порошкового карбида титана.
0.42
0.58
Авторами были проведены исследования с целью определения оптимальных условий проведения плазмохимической обработки порошкообразной смеси карбида титана и молибдена. Так, при температуре плазмы менее 4000°С при мощности плазмотрона менее 2,4 кВт/ч, скорости потока плазмы менее 45 м/с и скорости подачи порошка менее 150 г/ч наблюдается существенное количество исходного карбида титана в конечном продукте. В случае увеличения температуры плазмы более 6000°С при максимальной мощности плазмотрона более 3,6 кВт/ч, скорости потока плазмы более 50 м/с и скорости подачи порошка более 180 г/ч наблюдается восстановление Мо в конечном продукте в качестве примесного элемента. При этом существенным является массовое соотношение количества исходных карбида титана и молибдена, равное 8:2. При уменьшении колячества карбида титана в процессе плазменной переконденсации произойдет выделение сильнодефектного карбида молибдена МоС. При увеличении количества карбида титана наблюдается его присутствие в порошковой фракции конечного продукта.
Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом.
3
3
2
2
Смесь порошков карбида титана и молибдена, взятых в массовом соотношении, равном 8:2, помещают в дозатор поршневого типа и пневмотоком подают в камеру реактора-испарителя установки, оборудованной плазмотроном. При обработке смеси порошков в потоке низкотемпературной азотной плазмы при температуре плазмы 4000-6000°С мощность составляет 2.4-3.6 кВт/ч, расход плазмообразующего газа - 6,0÷6,6 Нм/ч (нормальных кубических метров в час, Н/м - кубический метр газа при давлении 760 мм рт. ст. и температуре 0°С). В качестве плазмообразующего и одновременно реакционного газа используют азот технический марки ГОСТ 9293-74 (N - 99,95%; О - 0,05%). Обработку осуществляют при скорости потока плазмы 45-50 м/с и скорости подачи исходной смеси 150-180 м/с. Полученный продукт в потоке азота поступает и охлаждается в водоохлаждаемой закалочной камере, расположенной в нижней части реактора-испарителя, а затем на тканевый фильтр рукавного типа (средний размер частиц 101-90 нм), куда прореагировавший нанокристаллический продукт синтеза подают пневмотранспортом. Следует отметить, что после процедуры плазменной переконденсации в обязательном порядке выполнялась деактивация нанопорошков в специальном устройстве - капсуляторе (патент RU 2238174; 2207933), после чего все полученные порошковые фракции стали пригодными для длительного хранения в нормальных условиях.
Фазовый состав определяли с помощью дифрактометра Shimadzu XRD-700 (Shimadzu, Япония) с расшифровкой по базе данных International Centre for Diffraction Data (ICDD). Элементный состав нанокристаллических продуктов исследовался с применением растрового электронного микроскопа JEOL JSM 6390 с приставкой для энергодисперсионного анализа. Размеры частиц порошкового продукта определяли методом сканирующей электронной микроскопии (РЭМ JEOLJSM 6390 с энергодисперсионным анализатором JED2100). Порошковый продукт наносился на двусторонний углеродный скотч и обдувался потоком воздуха.
Пример 1
3
2
2
Берут 80 грамм порошка карбида титана TiC, смешивают его с 20 граммами порошка металлического молибдена и обрабатывают в потоке азотной плазмы, для чего помещают в дозатор поршневого типа и пневмотоком подают в камеру реактора-испарителя лабораторной установки ПО "Нитрон" (г. Саратов), оборудованной плазмотроном. Порошок со скоростью 150 г/ч вводят навстречу потоку плазмы, скорость которого составляет 50 м/с. Температура азотной плазмы в камере реактора-испарителя составляет 4000°C. При обработке смеси порошков необходимая мощность плазмотрона составляет 2,4 кВт/ч, расход плазмообразующего газа - 6 нм/ч. В качестве плазмообразующего и одновременно реакционного газа используют азот технический марки ГОСТ 9293-74 (N - 99,95%; O - 0,05%). Полученный продукт в потоке азота поступает и охлаждается в водоохлаждаемой закалочной камере, расположенной в нижней части реактора-испарителя, после чего улавливается на поверхности тканевого фильтра, а затем капсулируется.
0,8
0,2
Рентгенофазовый анализ всех исследуемых фракций показал, что на тканевом фильтре собирается гомогенный по составу порошок, состав которого по данным рентгенографии соответствовал сложному карбиду титана-молибдена TiMoC. Средний размер частиц  равен 101 нм.
Пример 2.
3
2
2
Берут 160 грамм порошка карбида титана, смешивают его со 40 граммами порошка металлического молибдена, при этом массовое соотношение карбид титана: молибден, равно 8:2, и обрабатывают в потоке азотной плазмы, для чего помещают в дозатор поршневого типа и пневмотоком подают в камеру реактора-испарителя лабораторной установки ПО "Нитрон" (г.Саратов), оборудованной плазмотроном. Порошок со скоростью 180 г/ч вводят навстречу потоку плазмы, скорость которого составляет 45 м/с. Температура азотной плазмы в камере реактора-испарителя составляет 6000°С. При обработке смеси порошков необходимая мощность плазмотрона составляет 3.6 кВт/ч, расход плазмообразующего газа - 6 нм/ч. В качестве плазмообразующего и одновременно реакционного газа используют азот технический марки ГОСТ 9293-74 (N - 99,95%; O - 0,05%). Полученный продукт в потоке азота поступает и охлаждается в водоохлаждаемой закалочной камере, расположенной в нижней части реактора-испарителя, после чего улавливается на поверхности тканевого фильтра, полученный порошок капсулируется.
0.8
0.2
Рентгенофазовый анализ показал, что на тканевом фильтре собирается гомогенный по составу порошок, состав которого по данным рентгенографии соответствовал сложному титан-молибденовому карбиду TiMoC. Средний размер частиц равен 90 нм.
0.8
0.2
Таким образом, заявленный способ позволяет получать гомогенный нанокристаллический порошок сложного титан-молибденового карбида TiMoC со структурой типа NaCl в условиях низкотемпературной азотной плазмы, обеспечивающей практически полное испарение исходных составляющих механической смеси с последующей перекристаллизацией ж получением нанокристаллической фракции. Капсулирование конечного продукта предполагает длительное хранение в нормальных условиях.