Способ получения нитрида хрома
Владельцы патента RU 2359785:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет (RU)
Изобретение относится к порошковой технологии, а именно к получению материалов, содержащих нитриды металлов. Приготавливают смесь, содержащую оксид хрома (III) в количестве 0,7-1,8 мол.% и порошок хрома - остальное. Полученную смесь в свободно насыпанном виде воспламеняют с помощью нагретой до 600°С электрическим током вольфрамовой спирали в присутствии воздуха при атмосферном давлении в качестве азотирующего агента. Обеспечивается упрощение технологии и снижение себестоимости продукции. 1 табл.
Изобретение относится к области порошковой технологии, а именно к получению материалов, содержащих нитриды металлов, и может найти применение при изготовлении керамических и композиционных материалов и дисперсно-упрочненных изделий.
Известен способ [Патент РФ №1789064, МПК B22F 9/16, опубл. 28.02.1994] получения нитрида хрома, включающий подачу порошка хрома в реактор, его герметизацию и заполнение азотом до давления 16 МПа с последующим воспламенением порошка с помощью спирали, нагретой электрическим током.
Недостатком этого способа является использование специального оборудования, что усложняет технологию. Кроме того, в данном способе используется чистый азот под высоким давлением, что удорожает получаемый продукт.
Наиболее близким по технической сущности является способ получения нитридов металлов [Патент РФ №2256604, МПК С01В 21/076, опубл. 27.11.2004], который был выбран за прототип. Согласно этому способу приготавливают смесь, содержащую оксид азотируемого металла, порошок азотируемого металла и азид щелочного металла. Из полученной смеси формуют образцы, помещают в реактор, вакуумируют, промывают азотом, заполняют азотом до необходимого давления и воспламеняют вольфрамовой спиралью.
Недостатками этого способа являются необходимость формования образцов, использование высокого давления в процессе синтеза и наличие в продуктах синтеза щелочи, которая может привести к деградации нитрида. Кроме того, в этом способе используется дорогостоящий и опасный при хранении реагент - азид натрия.
Основной технической задачей изобретения является упрощение технологии за счет исключения стадии формования образца - его сжигание проводится в свободно насыпанном виде, а также за счет использования воздуха при атмосферном давлении в качестве азотирующего агента, при этом не используется азид натрия.
Основная техническая задача достигается тем, что в заявляемом способе получения нитрида хрома, согласно которому, также как и в прототипе, приготавливают смесь, содержащую оксид азотируемого металла и порошок азотируемого металла, и воспламеняют ее с помощью нагретой электрическим током вольфрамовой спирали в присутствии азотирующего агента, в соответствии с предложенным решением сжигание образца проводится в свободно насыпанном виде, воспламенение смеси осуществляется при ее нагревании до 600°C, а в качестве азотирующего агента используется воздух при атмосферном давлении, при следующем соотношении компонентов смеси (мол.%):
| оксид хрома (III) | 0,7-1,8 |
| порошок хрома | остальное |
В результате сжигания смеси в свободно насыпанном виде и использования воздуха при атмосферном давлении в качестве азотирующего агента происходит упрощение технологии, так как нет необходимости в формовании образца и в применении в качестве реагентов чистого азота и дорогостоящего и опасного при хранении азида натрия, а также высокого давления для проведения процесса синтеза.
В таблице приведены составы исходных смесей оксида хрома (III) и порошка хрома и содержание нитрида хрома по отношению к остаточному оксиду хрома в полученных продуктах.
Для эксперимента в качестве исходных компонентов использовали оксид хрома (III) (промышленный порошок марки хч) и порошок хрома (промышленный порошок марки ПХ1С).
Из порошков готовили смеси массой 5 г при следующем соотношении компонентов (мол.%):
| оксид хрома (III) | 0,3; 0,5; 0,7; 1,0; 1,4; 1,8; 2,1; 2,5 |
| порошок хрома | остальное |
Образцы смесей приготавливали методом сухого смешения с применением малых нагрузок, смешение осуществляли в течение 15 минут. Подготовленные образцы высыпали в фарфоровую чашку, придавая насыпанному материалу коническую форму для улучшенной фильтрации воздуха в зону реакции. Смеси нагревали в муфельной печи до 600°C и с помощью нагретой электрическим током вольфрамовой спирали инициировали ярко-желтое свечение образцов. В результате образовывались спеки, которые измельчали с помощью шаровой мельницы (помол в течение 10 минут) и подвергали рентгенофазовому анализу (метод порошка, дифрактометр ДРОН-3М, CuKα-излучение).
В таблице представлены составы исходных смесей и содержание нитрида хрома. При содержании в исходной смеси порошка хрома менее 0,7 мол.% выход нитрида хрома низок вследствие слабого проявления «эффекта разбавления» порошка хрома оксидом хрома (III). При содержании в исходной смеси порошка хрома более 1,8 мол.% выход нитрида хрома также низок из-за невозможности инициировать волну горения и невысокой температуры нагрева (600°C), которая недостаточна для химического связывания азота воздуха. Наиболее оптимальный состав смесей содержит от 0,7 до 1,8 мол.% порошка оксида хрома (III).
Таким образом, при осуществлении заявляемого способа достигается упрощение технологии: не используется дорогостоящее оборудование, работающее при высоком давлении, синтез нитрида хрома осуществляют при атмосферном давлении, причем исключают стадию формования образца, а в качестве азотирующего агента используют воздух вместо чистого азота. Себестоимость продукции снижается на 30-40%.
| Способ получения нитрида хрома | |||
| Таблица. | |||
| Содержание оксида хрома (III) в исходной смеси, мол.% | Содержание порошка хрома в исходной смеси, мол.% | Содержание в полученных продуктах нитрида хрома по отношению к остаточному хрому, % | Примечание |
| 0,3 | 99,7 | 0 | |
| 0,5 | 99,5 | 4 | |
| 0,7 | 99,3 | 46 | Заявляемый способ |
| 1,0 | 99,0 | 87 | |
| 1,4 | 98,6 | 100 | |
| 1,8 | 98,2 | 45 | |
| 2,1 | 97,9 | 19 | |
| 2,5 | 97,5 | 14 |
Способ получения нитрида хрома, включающий приготовление смеси, содержащей оксид азотируемого металла и порошок азотируемого металла и ее воспламенение с помощью нагретой электрическим током вольфрамовой спирали в присутствии азотирующего агента, отличающийся тем, что воспламенение смеси осуществляют в свободнонасыпанном виде при ее нагревании до 600°С, а в качестве азотирующего агента используют воздух при атмосферном давлении при следующем соотношении компонентов смеси, мол.%:
| оксид хрома (III) | 0,7-1,8 |
| порошок хрома | остальное |
