Способ получения тугоплавких соединений и материалов на их основе

 

Приготавливают экзотермическую смесь основных компонентов и тепловыделяющих добавок, изготавливают рабочее тело в виде навески насыпной плотности или прессованного брикета и инициируют реакцию горения, причем продукты горения тепловыделяющих добавок удаляют непосредственно в процессе горения путем применения в качестве добавок взрывчатых нитросоединений с газообразными продуктами горения в количестве, исключающем переход горения во взрыв. Изобретение позволяет повысить экзотермичность реакций образования тугоплавких соединений и за счет этого улучшить качество материалов на их основе.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам обработки порошков тугоплавких металлов и неметаллов и получению тугоплавких соединений, например карбидов, боридов переходных металлов и материалов на их основе.

Известен способ получения тугоплавких соединений и материалов на их основе, заключающийся в том, что приготавливают экзотермическую смесь порошков, изготавливают рабочее тело в виде навески насыпной плотности или прессованного брикета, нагревают рабочее тело до 50-500^oC и воспламеняют поджигающим составом (авт. св. СССР N 420394, кл. B 22 F 1/00, 1972). Дополнительный нагрев низкоэкзотермических смесей повышает температуру саморазогрева до температуры воспламенения и обеспечивает распространение зоны реакции по рабочему телу. Кроме того, повышение температуры горения приводит к увеличению скорости горения и глубины превращений во фронте горения.

Недостаток известного способа состоит в том, что осуществляют объемный нагрев рабочего тела. Для этого используются различные способы нагрева: печной, индукционный, пропусканием электрического тока и т.д. Объемные способы нагрева являются энергоемкими (индукционный), длительными (печной), возможны при определенных свойствах рабочего тела (электропроводность) и требуют применения дополнительного оборудования.

В целом использование объемного нагрева усложняет технологию и снижает экономическую эффективность процесса.

Наиболее близким к описываемому изобретению по технической сущности является способ получения металлов и сплавов, заключающийся в приготовлении экзотермической смеси порошков и добавлении тепловыделяющих веществ, способных взаимодействовать с большим экзотермическим эффектом, чем компоненты основной смеси. В качестве тепловыделяющих добавок используют соединения, образующие при горении конденсированные фазы, например бертолетовую соль (Зеликман А.Н., Меерсон Г.А. Металлургия редких металлов. - М.: Металлургия, 1973, с. 223, 326). За счет тепловыделения при горении веществ - теплогенераторов осуществляют локальный нагрев зоны реакции основных компонентов. Способ является энергоемким и не требует применения специального оборудования.

Недостаток известного способа состоит в том, что продукты горения тепловыделяющих добавок находятся в конденсированном состоянии (расплав или твердая фаза) и не удаляются из зоны реакции. Поэтому необходимо производить очистку целевого продукта от продуктов горения тепловыделяющих добавок. Предлагается способ получения тугоплавких соединений и материалов на их основе, в котором приготавливают экзотермическую смесь основных компонентов и тепловыделяющих добавок, изготавливают рабочее тело в виде навески насыпной плотности или прессованного брикета и инициируют реакцию горения, причем продукты горения тепловыделяющих добавок удаляют непосредственно в процессе горения путем применения в качестве добавок взрывчатых нитросоединений с газообразными продуктами горения в количестве, исключающем переход горения во взрыв.

Существенное отличие предлагаемого способа состоит в том, что продукты горения тепловыделяющих добавок удаляют на стадии горения и получают свободный от примесей целевой продукт. Это достигается путем применения в качестве добавок взрывчатых нитросоединений, имеющих газообразные продуты горения. Так как процесс осуществляют в открытых устройствах, имеющих сообщение с окружающей атмосферой, то горячие газы улетучиваются из зоны реакции основных компонентов. Кроме того, продуктами разложения взрывчатых нитросоединений являются азот, вода и окислы углерода, т.е. те же вещества, из которых состоит воздух. Поэтому при проведении процесса в воздушной атмосфере добавки взрывчатых веществ не будут оказывать качественного влияния на химические реакции между реагентами основной смеси и состав целевого продукта. Реакция разложения молекул взрывчатых веществ может протекать в режиме горения или теплового взрыва. Режим реагирования зависит от многих параметров, в том числе и от концентрации взрывчатого вещества в горючей смеси. Поэтому максимальное содержание взрывчатых нитросоединений в основной смеси должно быть ограничено величиной, при которой еще не происходит переход горения во взрыв, и находится опытным путем. В целом нагрев реагентов с одновременным удалением примесей из зоны реакции повышает экзотермичность процесса, увеличивает глубину превращения и позволяет получать беспримесные тугоплавкие соединения и материалы на их основе.

Способ осуществляется следующим образом. Приготавливают экзотермическую смесь порошков основных компонентов, которые при горении образуют тугоплавкие соединения (карбиды, бориды) или материалы на их основе (твердые сплавы). В основную смесь вводят твердые взрывчатые нитросоединения, имеющие газообразные продукты горения. Ввод добавок может производиться как на стадии смешивания, так и после смешивания основных компонентов. Содержание взрывчатых веществ в основной смеси должно быть таким, чтобы не происходил переход горения во взрыв. Из полученной смеси изготавливают рабочее тело в виде навески насыпной плотности или прессованного брикета. Рабочее тело помещают в устройство, имеющее сообщение с воздушной атмосферой. Путем подачи на спираль-нагреватель электрического импульса инициируют реакцию горения основной смеси и тепловыделяющих добавок. Теплом, выделяющимся при горении добавок, осуществляют нагрев смеси основных компонентов локальным образом: в зоне реакции. При перемещении химического источника тепла вместе с волной горения происходит нагрев всего рабочего тела. Продукты горения взрывчатых веществ находятся в газообразном состоянии и имеют идентичный с окружающей атмосферой состав. Поэтому качественных изменений в характере химических реакций между основными реагентами не происходит. Газовыделение при горении взрывчатых веществ приводит к увеличению давления в зоне реакции по отношению к атмосферному. За счет этой разница давлений происходит удаление продуктов горения тепловыделяющих добавок из синтезируемого материала непосредственно в процессе горения. Если целевой продукт получают в виде порошка, то синтезированный материал охлаждают и подвергают измельчению. В случае получения компактного материала горячие продукты горения уплотняют механическим воздействием и затем охлаждают.

Способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Получают карбид ниобия по реакции Hb+C=NbC. Готовят смесь порошков ниобия и углерода (сажи) в соотношении 88,6% ниобия и 11,4% углерода (мас. ). Смешивание осуществляют в шаровой мельнице в течение 10 ч при соотношении массы шаров и шихты 3:1. Теплового эффекта реакции недостаточно для разогрева реагентов от комнатной температуры до температуры воспламенения и при нормальных условиях горение смеси NbC не происходит. В основную смесь добавляют 5% (мас.) пироксилина - взрывчатого нитросоединения с температурой воспламенения 80^oC. Смешивание основной смеси и пироксилина производят вручную. Из полученной смеси изготавливают рабочее тело в виде прессованного брикета с относительной плотностью 0,65. Реакцию горения инициируют с помощью вольфрамовой спирали путем подачи на спираль импульса электрического тока. В зоне прогрева начинается горение легковоспламеняющегося пироксилина и осуществляется дополнительный нагрев зоны инициирования до температуры воспламенения смеси NbC. Нагрев путем теплоотдачи соседних с зоной инициирования объемов сначала до температуры воспламенения пироксилина, а затем и основной смеси обеспечивает самораспространение зоны реакции и получение карбида ниобия во всем объеме рабочего тела. Продукты горения пироксилина -N₂, CO, CO₂, H₂O - находятся в газообразном состоянии и улетучиваются из зоны реакции. Соответственно карбид ниобия содержит только те примеси, которые образуются при взаимодействии реагентов основной смеси.

Пример 2. Получают твердый сплав марки СТИМ-5 по схеме СВС-прессования: горячие продукты горения уплотняют под прессом до беспористого состояния. Основой сплава является карбид титана TiC, связкой служит никель. Для повышения эксплуатационных свойств сплав легирован молибденом, алюминием, кобальтом, хромом, азотом и ниобием. Готовят экзотермическую смесь порошков титана, углерода, никеля и легирующих компонентов. Смешивание производят в шаровой мельнице в течение 24 ч при соотношении массы шаров шихты 3:1. Горение основной смеси происходит за счет экзотермической реакции образования карбида титана: Ti+C=TiC. Сравнивают два варианта получения твердосплавного материала. В I-ом варианте используют смесь только основных компонентов. Во II-ом варианте в основную смесь добавляют 5% (мас.) пироксилина - взрывчатого соединения на основе азота, имеющее газообразные продукты горения следующего состава: N₂, CO, CO₂ и H₂O. Смешивание основной смеси и пироксилина выполняют вручную. Для обоих вариантов изготавливают рабочее тело в виде прессованного брикета с относительной плотностью 0,65. Брикет помещают в специальную пресс-форму, инициируют реакцию горения и после сгорания брикета прессуют горячие продукты синтеза. Измерение времени горения брикетов показало, что скорость горения в I-м варианте составляет 10 мм/с, во II-м 12,5 мм/с, т. е. добавление 5% пироксилина привело к увеличению на 25% скорости горения основной смеси. Из полученных твердосплавных заготовок изготавливают режущие пластины с размерами 12,7·12,7·4,75 мм и проводят испытания на износостойкость. Режим испытаний: скорость резания 200 м/мин; подача 0,015 мм/об; глубина резания 0,3 мм. Количественной мерой износостойкости служит время, за которое износ по задней грани составит 0,3 мм. Установлено, что износостойкость сплава СТИМ-5, синтезированного по I варианту ,составляет 82 мин, по II варианту 97 мин.

Приведенные примеры показывают, что использование данного изобретения позволяет повысить экзотермичность реакций образования тугоплавких соединений и за счет этого улучшить качество материалов на их основе.

Формула изобретения

\ \\1 Способ получения тугоплавких соединений и материалов на их основе, включающий приготовление экзотермической смеси порошков основных компонентов и тепловыделяющих добавок, изготовление рабочего тела в виде навески насыпной плотности или прессованного брикета и инициирование реакции горения, отличающийся тем, что продукты горения тепловыделяющих добавок удаляют непосредственно в процессе горения путем применения в качестве добавок взрывчатых нитросоединений с газообразными продуктами горения в количестве, исключающем переход горения во взрыв.