Способ получения кубического нитрида бора
Владельцы патента RU 2288889:
Федеральное государственное унитарное предприятие Российский научный центр "Прикладная химия" (RU)
Изобретение может быть использовано при изготовлении абразивных материалов для шлифовального и лезвийного инструмента, лент, паст, высокотемпературных смазок, теплоизоляции, косметики. Готовят брикет шихты из гомогенной смеси порошков азида натрия, тетрабората натрия и магния в соотношении 29,7:26,9:43,4% мас., или азида натрия, тетрабората натрия, карбоната лития и магния в соотношении 24,3:21,1:9,3:45,3% мас., или азида натрия и диборида магния в соотношении 60:40% мас. К полученному брикету шихты присоединяют брикет из воспламенительного состава, содержащего оксид меди, бор и нитроцеллюлозу в соотношении 89,9:8,1:2,0% мас. Брикет помещают соосно в оболочку в виде двух стаканов, совмещенных один в другой развернутыми донышками на 180°. Металлическую оболочку с шихтой и воспламенительным составом устанавливают в полость теплоэлектроизоляционного контейнера, сверху и снизу закрывают теплоизоляционными шайбами с отверстиями, по центру которых соосно установлены токовводы. Снаряженный контейнер устанавливают в камеру высокого давления и воздействуют давлением 45-47 кбар, нагревают шихту и воспламенительный состав пропусканием электрического тока до температуры термодинамической устойчивости кубического нитрида бора со скоростью подъема электрической мощности 30-40 Вт/с до значения 0,8 от заданного, соответствующего указанной температуре. Выдерживают 4 мин, затем охлаждают и выдерживают при давлении 45-47 кбар 1 мин, снижают давление до атмосферного, извлекают продукт синтеза с последующим кислотным обогащением, нейтрализацией и его сушкой. Сокращаются энергетические затраты. Кубический нитрид бора имеет улучшенные эксплуатационные характеристики. 5 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к производству искусственных высокотвердых материалов, а именно к синтезу кубического нитрида бора, применяемого для изготовления абразивных инструментов на различных связках, а также лезвийного инструмента для металлообработки и гексагонального нитрида бора, используемого для синтеза кубического нитрида бора, в качестве высокотемпературной смазки, теплоизоляции, в косметических целях и т.д.
Известны способы получения кубического нитрида бора из шихты, содержащей источник бора, азота и инициатора превращения. Наиболее известным и распространенным материалом, содержащим бор и азот, для синтеза кубического нитрида бора служит гексагональный нитрид бора. Его использование с инициаторами превращения из щелочных и щелочноземельных металлов, их нитридов решает задачу получения порошков кубического нитрида бора в диапазоне крупности до 300 мкм и более (патент RU №2077474, кл. С 01 В 21/064, опубл. 20.04.1997 г.).
Известен способ получения кубического нитрида бора более крупной зернистости (патент RU №2116245, кл. С 01 В 21/064, опубл. 27.07.1998 г.).
Недостатком указанных способов получения кубического нитрида бора является использование дорогостоящего гексагонального нитрида бора, получение которого требует достаточно больших энергетических затрат.
Известен способ получения кубического нитрида бора (патент США №5108966, кл. С 04 В 035/38, С 01 В 2/064, опубл. 28.04.1992). Способ заключается в подготовке смеси порошков с дисперсностью 10-30 мкм оксида бора, металлов магния или алюминия и азида натрия, смешанную порошковую смесь уплотняют в таблетки и подвергают инициированию, достигая температуры 2000°С с последующим воздействием ударно-волнового сжатия, достигая давления 100÷300 кбар. В результате получают кубический нитрид бора, образующийся оксид магния выщелачивают соляной кислотой.
Кубический нитрид бора, полученный по описываемому способу, представляет мелкодисперсный продукт, применяемый, в основном, для шлифовальных лент.
Задача изобретения - разработка технологии получения кубического нитрида бора, обеспечивающей экологическую безопасность промышленного производства, снижение энергетических затрат, получение кубического нитрида бора с улучшенными эксплуатационными характеристиками, позволяющими наносить порошок на основу шлифовальных шкурок в электростатическом поле, изготавливать лезвийный инструмент в металлообрабатывающей и автомобильной промышленности.
Для решения поставленной задачи приготавливают за счет хорошего смешивания порошков рабочую шихту из азида натрия, тетрабората натрия и магния, взятых соответственно в соотношении массовых процентов: 29,7:26,9:43,4, или азида натрия, тетрабората натрия, карбоната лития и магния, взятых в соотношении 24,3:21,1:9,3:45,3 массовых процентов, или азида натрия и диборида магния, взятых в соотношении 60:40 массовых процентов. Затем шихту прессуют и к прессованной шихте присоединяют прессованную таблетку воспламенительного состава с температурой воспламенения ниже температуры разложения азида натрия. При этом воспламенительный состав берут в необходимом количестве для воспламенения рабочей шихты. Полученную сборку помещают в оболочку в виде стакан в стакане, развернутыми донышками по отношению друг к другу на 180°.
Сборку помещают в устройство высокого давления и температуры, подвергают сжатию под давлением 45÷47 кбар, затем нагревают рабочую шихту и воспламенительный состав за счет пропускания электрического тока со скоростью подъема электрической мощности 30÷40 Вт/с до начала прохождения процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), которое отслеживают по импульсным изменениям силы электрического тока. СВС проходит при значении мощности примерно при 0,8 от ее заданного значения, соответствующего температуре термодинамической устойчивости кубического нитрида бора. При заданном давлении и электрической мощности выдерживают 4 мин, после чего отключают нагрев и выдерживают 1 мин при заданном давлении, т.е. при 45-47 кбар. Затем снижают давление до атмосферного и извлекают продукт синтеза. После этого проводят кислотное обогащение и нейтрализацию раствора, а за счет флотации выделяют кубический нитрид бора.
Такая организация процесса позволяет получить КНБ, в 3-4 раза снизить энергетические затраты с обеспечением экологической безопасности промышленного производства. Кроме того, порошок кубического нитрида бора при варьировании технологических параметров получают при соотношении критической длины к его ширине от 1 до 10, что очень важно при промышленном использовании этого порошка, например при нанесении его на основу шлифовальной шкурки в электростатическом поле.
Ниже приведены примеры конкретного осуществления способа получения кубического нитрида бора.
Пример 1.
Приготавливают рабочую шихту для синтеза из азида натрия, тетрабората натрия и магния, взятых в соотношении массовых процентов 29,7:26,9:43,4. Шихту смешивают в смесителе типа "пьяная бочка" до получения гомогенной смеси. Затем шихту брикетируют до получения брикета с плотностью 1,65-1,70 г/см3, затем шихту воспламенительного состава из гомогенной смеси, состоящей из оксида меди, бора и нитроцеллюлозы, взятых в соотношении 89,9:8,1:2,0 по массе брикетируют в таблетку с плотностью 3,4-3,5 г/см3. При этом для надежного инициирования процесса СВС в данной технической конструкции масса таблетки воспламенительного состава принята в соотношении 1:2 с массой брикета рабочей шихты для синтеза. Таблетку воспламенительного состава присоединяют к брикету рабочей шихты для синтеза и помещают в стаканчик, выполненный из жаропрочной стали таким образом, чтобы их донышки были повернуты на 180°. Сформированную таким образом сборку помещают соосно в полость теплоизоляционного контейнера. Сверху и снизу сборку закрывают теплоизоляционными шайбами с отверстиями, по центру которых соосно устанавливают электровводы. Контейнер устанавливают в камеру высокого давления и температуры типа "наковальня с лункой", сжимают до давления не более 47 кбар. Затем нагревают шихту и воспламенительный состав за счет пропускания электрического тока со скоростью подъема электрической мощности 30 Вт/с до значения 0,8 от заданного значения электрической мощности, соответствующего термодинамической устойчивости кубического нитрида бора. При этом визуально отслеживают прохождение СВС-процесса по импульсным изменениям силы электрического тока, и при ее стабилизации поднимают значение электрической мощности до заданного значения с той же скоростью.
Контейнер с шихтой выдерживают при заданных значениях давления и температуры, соответствующих термодинамической устойчивости кубической модификации нитрида бора в течение 4 мин. Затем отключают электрический нагрев и выдерживают под давлением в течение 1 мин. После этого снижают давление до атмосферного и извлекают продукт синтеза из металлической сборки стаканов, которую вскрывают и проводят кислотное обогащение продукта. После этого его отмывают до получения нейтральной реакции, сушат, затем за счет флотации выделяют кубический нитрид бора. После сушки полученные кристаллы классифицируют по крупности. При этом полученный кубический нитрид бора содержит частицы с соотношением длины частицы к ширине в диапазоне от 1:1 до 10:1 с размером длины частиц до 250 мкм. Значения выхода кубического нитрида бора приведены в таблице.
Пример 2.
Выполняют те же операции, что и в примере 1, только в качестве исходных компонентов рабочей шихты для синтеза применяют азид натрия, тетраборат натрия, карбонат лития и магний в соотношении массовых процентов: 24,3:21,1:9,3:45,3. Полученный кубический нитрид бора содержит частицы с соотношением длины и ширины в диапазоне от 1:1 до 5:1 с размером длины до 150 мкм. Значения выхода кубического нитрида бора приведены в таблице.
Пример 3.
Выполняют те же операции, что и в примере 1, только в качестве исходных компонентов рабочей шихты для синтеза применяют азид натрия и диборид магния в соотношении массовых процентов: 60:40. Полученный кубический нитрид бора содержит частицы с соотношением длины частицы к ширине в диапазоне от 1:1 до 8:1 с размером длины до 150 мкм. Значения выхода кубического нитрида бора приведены в таблице.
| Таблица | ||||
| № | Параметры синтеза | Выход | ||
| примера | Р, кбар | Т, °С | t, мин | КНБ, % |
| 1 | 47 | 1600 | 4 | 6,7 |
| 2 | 47 | 1600 | 4 | 5,5 |
| 3 | 47 | 1600 | 4 | 13,3 |
1. Способ получения кубического нитрида бора, включающий приготовление шихты и ее прессование из смеси азотсодержащего, борсодержащего и магнийсодержащего компонентов, воспламенение смеси, воздействие на смесь высоким давлением и температурой, соответствующими термодинамической устойчивости кубического нитрида бора, отличающийся тем, что к брикету шихты из гомогенной смеси, содержащей азид натрия, тетраборат натрия и магний или азид натрия, тетраборат натрия, карбонат лития и магний, или азид натрия и диборид магния, присоединяют брикет воспламенительного состава, с температурой воспламенения ниже температуры разложения азотсодержащего соединения, полученный брикет помещают соосно в оболочку в виде двух стаканов, совмещенных один в другой развернутыми донышками на 180°, после чего металлическую оболочку с шихтой и воспламенительным составом устанавливают в полость теплоэлектроизоляционного контейнера, сверху и снизу закрывают теплоэлектроизоляционными шайбами с отверстиями, по центру которых соосно проходят электровводы, и подвергают давлению при 45-47 кбар; нагревают шихту и воспламенительный состав пропусканием электрического тока до температуры термодинамической устойчивости кубического нитрида бора и выдерживают в течение четырех минут, затем охлаждают и выдерживают при давлении 45-47 кбар в течение 1 мин, снижают давление до атмосферного и извлекают продукт синтеза, с последующим кислотным обогащением, нейтрализацией и сушкой.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что шихту, содержащую азид натрия, тетраборат натрия, магний, берут в соотношении 29,7:26,9:43,4 мас.%.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что шихту, содержащую азид натрия, тетраборат натрия, карбонат лития, магний, берут в соотношении 24,3:21,1:9,3:45,3 мас.%.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что шихту, содержащую азид натрия и диборид магния, берут в соотношении 60:40 мас.%.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что воспламенительный состав содержит оксид меди, бор, нитроцеллюлозу в соотношении 89,9:8,1:2,0 мас.%.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что шихту и воспламенительный состав нагревают электрическим током со скоростью подъема электрической мощности 30-40 Вт/с до значения 0,8 от заданного значения электрической мощности, соответствующей температуре термодинамической устойчивости кубического нитрида бора.
