Способ получения карбонитрида титана

 

Изобретение относится к области металлургии производства тугоплавких материалов - карбонитридов, а именно к созданию способа получения карбонитрида титана, позволяющего создать однородный продукт заданного состава с минимальным содержанием свободного углерода. Способ осуществляют путем высокотемпературного синтеза титансодержащих соединений в атмосфере азота при магниетермическом восстановлении смеси тетрахлорида титана и тетрахлорэтилена в соотношении 4,5 - 5,1 при температуре 1010 - 1080^oC. Благодаря этому получается гомогенный карбонитрид титана заданного состава с минимальным содержанием примесей и снижается стоимость карбонитрида титана на 15 - 25% за счет использования промпродуктов и снижения температуры процесса. 1 табл.

Изобретение относится к области металлургии тугоплавких соединений редких и переходных металлов, в частности к металлургии титана. Карбонитриды титана в настоящее время как обладающие рядом преимуществ перед карбидом титана используются в качестве основы сплавов для изготовления режущего инструмента. Кроме того, сплавы на основе карбонитридов применяют для изготовления быстроизнашивающихся деталей, напорных втулок, в буровых инструментах и др.

Известны различные способы получения карбонитрида титана, приведенные в работе [Pastor Н. Science and Eng. A. - 1988 -106. N 1, 2. P.401-409]: 1 - Синтез карбонитрида титана путем нагрева порошков титана и его карбида в атмосфере азота при высокой температуре.

2 - Получение карбонитридов азотонауглероживанием титанового порошка в органических газообразных соединениях.

3 - Синтез из смеси порошков TiC+TiN при высокой температуре в атмосфере азота.

В качестве прототипа предлагаемого способа выбран метод карбонизации насыпной массы или брикетированной смеси диоксида титана с сажей в атмосфере азота. Карбонизацию проводят при температуре 1700-1900^oC [Кипарисов С.С., Левинский Ю.В., Петров А.П., Васильева И.П. Получение и применение нитридных соединений титана. ЦНИИЭиМ. Серия: Информационное обеспечение общесоюзных научно-технических программ. Обзорная информация. Выпуск 3. М., 1989, С.6].

Недостатки прототипа: необходимость применения дорогостоящего оксида титана, необходимость брикетирования исходных компонентов, относительно низкая производительность аппаратуры, высокая температура синтеза (около 2000^oC), т. к. при более низких температурах продукт содержит кислород и свободный углерод.

Техническим результатом изобретения является получение однородного карбонитрида титана заданного состава с минимальным содержанием свободного углерода, минимальными затратами и повышением производительности способа.

Он достигается путем высокотемпературного синтеза титансодержащих соединений в атмосфере азота при магниетермическом восстановлении смеси тетрахлорида титана и тетрахлорэтилена в соотношении 4,2-5,1 при температуре 1010-1080^oC.

Способ реализуется следующим образом. Готовится смесь TiCl₄ и C₂Cl₄, которые характеризуются относительно близкими значениями плотности и температурами кипения и образуют комплексные соединения. На поверхность расплавленного магния в атмосфере азота подают смесь хлоридов. При магниетермическом восстановлении хлоридов процессы диссоциации C₂Cl₄ с выделением свободного углерода сводятся к минимуму. Вследствие незначительного расстояния между молекулами хлоридов титана и углерода в смеси синтез карбонитрида титана протекает активно на атомарном уровне непосредственно между "свежевосстановленными" титаном и углеродом. В конечном итоге образуются гомогенные тугоплавкие соединения с низким содержанием свободного углерода.

Соотношение в смеси хлоридов титана и углерода 4,2-5,1 позволяет получать карбонитрид титана, близкий к оптимальному стехиометрическому составу TiC_0,5N_0,5. Температура процесса 1020-1080^oC обеспечивает протекание синтеза тугоплавких соединений в оптимальном режиме.

Выбор технологических параметров обусловлен следующим: при соотношении TiCl₄: C₂Cl₄ менее 4,2 будут образовываться тугоплавкие соединения с повышенным содержанием азота против стехиометрии. В случае увеличения этого соотношения более 5,1 возможно протекание процессов диссоциации тетрахлорэтилена с получением в конечных продуктах повышенного количества свободного углерода.

Осуществление процесса восстановления при температурах ниже 1010^oC не будет способствовать полному протеканию синтеза карбонитрида титана, а также может привести к получению негомогенного продукта. Проведение процесса при температуре выше 1080^oC активизирует процессы диссоциации C₂Cl₄ с выделением свободного углерода и хлора, последнее обстоятельство приводит к загрязнению продуктов реакции железом.

Синтез тугоплавких соединений осуществляют в аппарате, по конструкции аналогичном реактору для производства магниетермического титана. Следовательно, производительность предлагаемого способа получения карбонитрида титана выше на порядок, чем известного способа, а температура процесса ниже на 700-1000^oС. При этом вместо дорогостоящих и дефицитных исходных компонентов (порошки диоксида, карбида, нитрида и дисперсного металлического титана) применяют промпродукты титаномагниевого производства - тетрахлорид титана, магний.

Пример. Опыты проводили на лабораторной установке, которая состояла из шахтной электропечи, герметичного реактора и стакана, а также конденсатора (для вакуумной сепарации). Исходная смесь TiCl₄ и C₂Cl₄ из дозатора при помощи насоса подавалась на поверхность расплавленного магния, предварительно загруженного в реакционный стакан. Процесс осуществляли в атмосфере азота, давление в реакторе поддерживали 0,1-0,2 атм. Температура процесса 1010-1080^oC, коэффициент использования магния 30-35%. По окончании подачи хлоридов производили выдержку и охлаждали реактор. После установки конденсатора осуществляли вакуумную сепарацию при температуре около 1000^oC. Полученные продукты охлаждали, аппарат демонтировали. От блока карбонитрида титана отбирали пробы и анализировали. Результаты приведены в таблице.

Полученные данные позволяют сделать вывод о техническом эффекте предлагаемого способа - осуществление синтеза тугоплавких соединений магниетермическим восстановлением смеси хлорида титана и тетрахлорэтилена приводит к образованию гомогенного карбонитрида титана с низким содержанием свободного углерода.

Экономический эффект заключается в использовании промпродуктов титано-магниевого производства - тетрахлорида титана взамен дорогостоящего диоксида титана и снижении температуры синтеза на 600-800^oC, что позволит снизить стоимость карбонитрида (15-25%).

Формула изобретения

Способ получения карбонитрида титана путем высокотемпературного синтеза титансодержащих соединений в атмосфере азота, отличающийся тем, что осуществляют магниетермическое восстановление смеси тетрахлорида титана и тетрахлорэтилена в соотношении 4,2 - 5,1 при температуре 1010 - 1080^oC.

РИСУНКИ

Рисунок 1