СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАРБИДА ТИТАНА
METHOD OF PRODUCTION OF TITANIUM CARBIDE

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению карбида титана, и может быть использовано при приготовлении безвольфрамовых твердых сплавов, для нанесения защитных покрытий на инструментальные и конструкционные изделия, при изготовлении абразивных материалов и керамики.
Известен способ получения карбида титана путем взаимодействия титанового порошка с сажистым углеродом, при этом исходную смесь предварительно выдерживают в вакууме при температуре 200…300°C в течение 60…120 мин. После этого шихту непрерывно подают в реакционную зону аппарата при температуре 885…1000°C. (Александровский С.В., Ли Д.В. Способ получения карбида титана. Патент РФ №2175988. C22B 34/12, C01B 31/30, C22C 1/05).
Однако указанный способ имеет следующие недостатки. Порошок титана значительно дороже порошка диоксида титана, тоже используемого в получении карбида титана. Например, в феврале 2013 г. цена порошка титана составляла 1700 руб/кг, а порошка диоксида титана 112 руб./кг (http://www.pulscen.ru). Кроме того, предварительная выдержка исходной смеси в вакууме при температуре 200…300°C в течение 60…120 мин усложняет процесс получения карбида титана.
Кроме того, известен способ получения карбида титана (Киффер Р., Бенезовский Ф. Твердые материалы. М.: Металлургия, 1968. - 384 с.), являющийся прототипом изобретения и заключающийся в нагреве в угольно-трубчатой печи сопротивления в атмосфере водорода при температуре 2250°C шихты из 68,5% диоксида титана и 31,5% высокодисперсного углеродного материала (обычно ламповой сажи). Водород создает в печи восстановительную, т.е. защитную газовую среду. Кроме того, считается, что водород реагирует с высокодисперсным углеродным материалом с образованием ацетилена, интенсифицирующего процесс карбидообразования. Содержание свободного углерода в полученном карбиде титана составляет 1,5…2,0%.
Однако указанный способ имеет ряд недостатков. Во-первых, это проведение процесса в атмосфере водорода - дорогого газа, что приводит к удорожанию процесса. Во-вторых, это значительное содержание нежелательной примеси (свободного углерода) в карбиде титана.
Задачей изобретения является удешевление процесса, а также снижение содержания свободного углерода в карбиде титана.
2
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе получения карбида титана, состоящем в нагреве шихты из диоксида титана и высокодисперсного углеродного материала, взятых в массовом соотношении диоксида титана к высокодисперсному углеродному материалу 68,5:31,5 при температуре 2250°C, в качестве высокодисперсного углеродного материала используют порошок нановолокнистого углерода с удельной поверхностью 138…160 м/г. Порошок нановолокнистого углерода получается растиранием в ступке его гранул размером 4-8 мм, изготовленных каталитическим разложением газообразных предельных углеводородов на никелевом катализаторе при температуре 550°C. Гранулы образованы плотно переплетенными нитями нановолокнистого углерода длиной до 4 мкм и диаметром 10-100 нм (средний диаметр 73 нм).
2
2
2
Способ осуществляется следующим образом. Порошки диоксида титана и высокодисперсного углеродного материала - нановолокнистого углерода взвешиваются в массовом соотношении диоксида титана к нановолокнистому углероду 68,5:31,5 (масса навески 200 г), после чего шихта просеивается через сито с размером ячейки 100 мкм. При просеивании происходит хорошее перемешивание диоксида титана с нановолокнистым углеродом. Далее полученная шихта массой 200 г загружается в графитовый тигель. Внутренний диаметр тигля 50 мм, высота внутреннего пространства 40 мм. Тигель помещается в углеродный трубчатый нагреватель печи сопротивления. Затем нагреватель закрывается крышкой и на печь подается напряжение. При разогреве нагревателя в печном пространстве происходит следующее. Поскольку в печное пространство не подается защитный газ, в нем первоначально находится воздух. От разогретого нагревателя тепло передается тиглю, а от него - шихте. Естественно, кислородом воздуха окисляется углерод более нагретого нагревателя. Поэтому в печном пространстве образуется газовая смесь оставшегося азота и получившегося монооксида углерода СО. Измерение температуры в печном пространстве осуществляется оптическим пирометром. Поддержание заданной температуры (2250°C) проводится изменением токовой нагрузки. Во время проведения процесса печь находится под напряжением 3 часа (1 час затрачивается на нагрев и 2 часа - на синтез). После проведения процесса подача электроэнергии прекращается и печь охлаждается. Затем из охлажденной печи извлекается тигель с продуктом реакции - порошкообразным карбидом титана. Поскольку в качестве высокодисперсного углеродного материала в процессе применяется нановолокнистый углерод, обладающий вследствие высокой удельной поверхности (138…160 м/г) повышенной реакционной способностью, реакция образования карбида титана протекает более полно и содержание непрореагировавшего (свободного) углерода в карбиде титана уменьшается до величины ниже 1,5%, что определяется термогравиметрическим анализом. Уменьшение величины удельной поверхности порошка нановолокнистого углерода ниже 138 м/г приводит к значительному увеличению содержания свободного углерода в карбиде титана (выше 1,5%). Увеличение значения удельной поверхности порошка нановолокнистого углерода выше 160 м/г невозможно при любом времени измельчения.
Удешевление процесса достигается за счет того, что в процессе использование водорода не требуется.
Примеры реализации способа.
2
Пример 1. Порошки диоксида титана и нановолокнистого углерода (удельная поверхность 145 м/г), взятые в массовом соотношении диоксида титана к нановолокнистому углероду 68,5:31,5 (суммарная масса навески 200 г), совместно просеиваются через сито с размером ячейки 100 мкм. Далее готовая шихта засыпается в графитовый тигель. Тигель помещается в углеродный трубчатый нагреватель печи сопротивления. Затем нагреватель закрывается крышкой и на печь подается напряжение. Температура в печи поддерживается на уровне 2250°C. Содержание свободного углерода в продукте реакции, определенное термогравиметрическим методом, 0,82%.
2
Пример 2. Порошки диоксида титана и нановолокнистого углерода (удельная поверхность 151 м/г), взятые в массовом соотношении диоксида титана к нановолокнистому углероду 68,5:31,5 (суммарная масса навески 200 г), совместно просеиваются через сито с размером ячейки 100 мкм. Далее готовая шихта засыпается в графитовый тигель. Тигель помещается в углеродный трубчатый нагреватель печи сопротивления. Затем нагреватель закрывается крышкой и на печь подается напряжение. Температура в печи поддерживается на уровне 2250°C. Содержание свободного углерода в продукте реакции, определенное термогравиметрическим методом, 0,91%.
2
Пример 3. Порошки диоксида титана и нановолокнистого углерода (удельная поверхность 156 м/г), взятые в массовом соотношении диоксида титана к нановолокнистому углероду 68,5:31,5 (суммарная масса навески 200 г), совместно просеиваются через сито с размером ячейки 100 мкм. Далее готовая шихта засыпается в графитовый тигель. Тигель помещается в углеродный трубчатый нагреватель печи сопротивления. Затем нагреватель закрывается крышкой и на печь подается напряжение. Температура в печи поддерживается на уровне 2250°C. Содержание свободного углерода в продукте реакции, определенное термогравиметрическим методом, 0,77%.
Таким образом, предложенный способ является более дешевым и снижает содержание свободного углерода в карбиде титана.