СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИБОРИДА ВАНАДИЯ
METHOD OF PRODUCING VANADIUM DIBORIDE

Предлагаемое изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к синтезу диборида ванадия, и может быть использовано для изготовления диффузионных износостойких покрытий на сталях, электролита воздушно-расплавных аккумуляторов.
2
Известен способ получения диборида ванадия VB взаимодействием металлических ванадия и бора в присутствии алюминия при температуре 1550°C в среде инертного газа в течение 24 часов с последующим охлаждением и дальнейшей обработкой продуктов реакции кислотой, например соляной (заявка JP 55051797 А, кл. С01В 35/04, 1980).
Однако указанный способ имеет следующие недостатки. Это применение при синтезе диборида ванадия дорогого металлического ванадия, длительность процесса синтеза и необходимость обработки продуктов реакции кислотой, например соляной.
2
3
2
3
4
2
Кроме того, известен способ получения диборида ванадия (Крутский Ю.Л. и др. Синтез тонкодисперсных порошков карбида и борида ванадия и исследование их характеристик. Молодежный научный форум: технические и математические науки, Электронный сборник статей по материалам IV студенческой международной заочной научно-практической конференции, октябрь 2013 г., №4, с. 45-50), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и заключающийся в проведении процесса синтеза диборида ванадия путем нагрева в газовой среде из аргона в углеродном тигле смеси оксида ванадия VO, карбида бора и нановолокнистого углерода, приготовленной по стехиометрии на получение диборида ванадия в соответствии с реакцией VO+ВС+2С=2VB+3СО, при температуре 1500°C в течение 30 минут.
Однако указанный способ имеет недостаток. Это необходимость подачи в реакционное пространство печи дорогостоящего инертного газа (аргона), что усложняет процесс и приводит к увеличению стоимости диборида ванадия.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является упрощение процесса и снижение стоимости диборида ванадия.
2
3
2
3
4
2
2
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе получения диборида ванадия, заключающемся в нагреве в газовой среде в углеродном тигле смеси оксида ванадия VO, карбида бора и нановолокнистого углерода, приготовленной по стехиометрии на получение диборида ванадия в соответствии с реакцией VO+ВС+2С=2VB+3СО, процесс ведут при температуре 1300-1500°C в течение 20-30 минут в газовой среде из оксида углерода (II) и азота, образующейся при окислении углерода тигля кислородом воздуха, в объемном отношении СО:N=99,96:0,04.
2
3
2
3
4
Способ осуществляется следующим образом. Навески порошков оксида ванадия VO, карбида бора и нановолокнистого углерода берутся в мольном отношении VO:ВС:С=1:1:2, то есть по стехиометрии на получение диборида ванадия в соответствии с реакцией:
2
3
4
2
VO+BC+2C=2VB+3СО
3
3
2
Далее смесь просеивается через сито с размером ячейки 100 мкм. При просеивании происходит перемешивание компонентов смеси. Затем смесь загружается в тигель из углерода внутренним диаметром 25 мм и высотой внутреннего пространства 60 мм. Тогда внутренний объем тигля из углерода 29,452 см. При плотности смеси 2,8 г/см масса ее примерно равна 82 граммам. Тигель из углерода закрывается графитовой крышкой и помещается в кварцевый реактор, который в свою очередь вставляется в индуктор индукционной печи. Нагрев смеси производят при температуре 1300-1500°C в течение 20-30 минут в газовой среде из оксида углерода (II) и азота, образующейся при окислении углерода тигля кислородом воздуха, в объемном отношении СО:N=99,96:0,04.
3
3
При подаче электроэнергии на индуктор печи во внутреннем пространстве тигля из углерода происходит следующее. Поскольку в кварцевый реактор не подается защитный инертный газ (аргон), в нем первоначально находится воздух при атмосферном давлении. От индуктора энергия передается тиглю из углерода, а от него - шихте. Естественно, кислородом воздуха первоначально окисляется углерод нагревающегося тигля. Поэтому в кварцевом реакторе и во внутреннем пространстве тигля из углерода при температурах процесса (1300-1500°C) образуется газовая смесь из оставшегося азота и получившегося оксида углерода (II). Дополнительно при протекании реакции образования диборида ванадия из 82 граммов шихты выделяется примерно 30 граммов (или примерно 24000 см) оксида углерода (II), что многократно (в предположении того, что свободный объем тигля из углерода составляет 40%) превышает объем тигля из углерода (примерно в 2000 раз). Таким образом, образующийся оксид углерода (II) довольно быстро вытесняет азот воздуха из внутреннего пространства тигля через неплотности между углеродным тиглем и крышкой. В результате содержание азота в газовой смеси уменьшается примерно в 2000 раз (с 80% об. до приблизительно 0,04% об.). Следовательно, газовая среда в углеродном тигле в ходе реакции образования диборида ванадия содержит азот в очень незначительных количествах, что предотвращает нежелательный процесс образования нитридов ванадия VN и VN. Температура в реакторе контролируется оптическим пирометром. После остывания реактора из него извлекается тигель из углерода, из тигля высыпается продукт реакции (порошок диборида ванадия).
При температурах ниже 1300°C диборид ванадия не образуется, о чем свидетельствует отсутствие его рефлексов на дифрактограммах. При температурах, превышающих 1500°C, имеют место ненужные энергозатраты. При времени процесса менее 20 минут диборид ванадия не образуется, о чем свидетельствует отсутствие его рефлексов на дифрактограммах. При времени процесса более 30 минут имеют место ненужные энергозатраты.
Пример реализации изобретения
2
3
2
3
4
Порошки оксида ванадия VO, карбида бора и нановолокнистого углерода, взятые в мольном отношении VO:ВС:С=1:1:2, совместно просеиваются через сито с размером ячейки 100 мкм. Таким образом, размер частиц всех реагентов не превышает 100 мкм. Далее готовая смесь засыпается в тигель из углерода. Тигель из углерода закрывается графитовой крышкой и помещается в кварцевый реактор, который в свою очередь вставляется в индуктор индукционной печи. Температура процесса 1400°C, время выдержки при этой температуре 22 минуты. Рентгенофазовым анализом установлено наличие в продуктах реакции (термообработанной смеси) только одной фазы - диборида ванадия.
2
Упрощение процесса получения диборида ванадия и снижение его стоимости достигается за счет проведения процесса в газовой среде из оксида углерода (II) и азота, образующейся при окислении углерода тигля кислородом воздуха, в объемном отношении СО:N=99,96:0,04 без использования аргона, который является дорогостоящим и который обеспечивает создание специальной защитной газовой среды.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет упростить процесс и снизить стоимость диборида ванадия.