Способ получения неорганического материала на основе оксинитридов титана


 


Владельцы патента RU 2518363:

Закрытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие ФАН" (RU)
Открытое акционерное общество "Корпорация ВСМПО-АВИСМА" (RU)

Изобретение относится к металлургии. Cпособ получения слитков на основе оксинитридов титана состава TiN0,35-0,7O0,4-0,6 включает сжигание титансодержащей шихты в реакторе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в атмосфере азота под давлением 40-150 атм. В качестве титансодержащей шихты используют отход титанового производства в виде измельченного шлака огневого реза титана и его сплавов фракции минус 0,5 мм, содержащего титан, азот, кислород и механические примеси окислов титана. При использовании шлака огневого реза титана и его сплавов, содержащего более 5 вес.% механических примесей окислов титана, в шихту дополнительно вводят стружку титана или его сплавов или порошок титана в количестве 0,5-1 долей по отношению к избыточному количеству механических примесей окислов титана в шихте. Обеспечивается получение гомогенных качественных слитков на основе оксинитридов титана. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к неорганическим материалам, содержащим синтезированные оксинитриды различных элементов, давно проявляется большой интерес в силу благоприятных свойств этих композиций, дающих возможность их широкого применения. В их число входят оксинитриды титана, структура и свойства которых на данный момент достаточно хорошо изучена (Алямовский С.И., Зайнуллин Ю.Г., Швейкин Г.П. Оксикарбиды и оксинитриды металлов IVA и VA подгрупп. М., Наука, 1981, с.58-62; Кузнецов М.В., Журавлев Ю.Ф., Жиляев В.А., Губанов В.А. Рентгеноэлектронное исследование нитридов, оксидов и оксинитридов титана. Журнал «Неорганическая химия», 1991, Т.36, вып.4, с.987-991).

Комплекс свойств оксинитридов титана с областью гомогенности Ti N0,35-0,7О0,4-0,6 харатеризуется высокой микротвердостью 19000 - 24000 МПа, высокой температурой плавления - более 2200°С, стойкостью в агрессивных средах и др., что предопределяют широкие области применения данного неорганического материала, например, для напыления на детали с целью увеличения эксплуатационных свойств, в качестве абразивов, как армирующий компонент порошковых сплавов, для производства специальной керамики и в других направлениях.

Однако широкое внедрение таких материалов в промышленность сдерживается отсутствием промышленных технологий получения гомогенных оксинитридов титана.

Известен способ получения оксинитридов, в том числе оксинитридов титана (Зайнуллин Ю.Г., Алямовский С.И., Швейкин Г.П. Журнал «Неорганическая химия», 1973, Т.9, с.1210-1213). Синтез осуществляется путем вакуумного спекания оксида и нитрида титана при температуре 1500°С в течении 60-80 часов. Недостатком этого способа являются большие энергозатраты, связанные с использованием глубокого вакуума (до 10-5 мм рт.ст.) и необходимостью поддержания высоких температур в течение длительного времени.

Известен способ, когда оксинитриды титана синтезируются попутно при получении более сложных композиций. Например, TiOxCyNz (Ю.В. Левинский, А.П. Петров, Ю.Н. Зайцев. Получение порошков оксикарбонитрида титана с контролируемым составом, «Цветные металлы», 1998, №1, с.52-54). При этом порошок титана вначале окисляют в атмосфере воздуха при температуре 1000°С до содержания кислорода в нем около 25% (мас.), а затем его в таком виде смешивают с сажей и нагревают в атмосфере азота при давлении 105 Па до температур 1600-2000°С. При такой сложной двухстадийной технологии функции оксинитридов титана не являются самостоятельными.

Наиболее близким является способ получения оксинитридов титана сжиганием (горением) крупнодисперсных промышленных порошков титана в присутствии двуокиси титана в атмосфере воздуха, что является частным случаем процесса СВС. (Ю.И.Строкова, А.А.Громов, В.И.Верещагин. Получение керамических порошков на основе нитрида титана при горении промышленного порошка титана в воздухе. Новые огнеупоры, №6, 2008; ПРЕПАРАТ «АСМ-34Т», Временные технические условия на порошкообразный азотсодержащий материал на основе нитридов элементов III-IV групп, ОКП 25714, УДК 541.16: 182 Г 06, Томск, 2006). В составе Технических условий обозначен препарат «АСМ-34Т (Т) - немеханическая смесь нитрида титана (более 60%) с оксидом титана (менее 30%) и металлическим титаном (менее 10% мас.).

Недостатком способа является наличие в готовом продукте несгоревшего металлического титана и присутствие в качестве самостоятельной фазы двуокиси титана, т.е. не обеспечивается необходимое гомогенное состояние оксинитридов титана.

Добавим, что все имеющиеся способы получения оксинитридов титана предусматривают использование в качестве исходных материалов порошков чистого титана и его окислов, что удорожает стоимость конечного продукта.

Следует отметить также, что на сегодняшний день классический вариант технологии самораспространяющегося синтеза (СВС) - сжигание (горение) материалов в реакторе при давлении азота целевым назначением для получения оксинитридов титана (материалов на их основе) не используется (Е.А.Левашов, А.С.Рогачев, В.И.Юхвид, И.П. Боровинская. Физико-химические и технологические основы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. М., «Изд-во БИНОМ», 1999, с.12).

В настоящем изобретении поставлена задача минимизировать отмеченные недостатки известных технических решений и при сокращении материальных и энергетических затрат создать простой эффективный промышленный способ получения гомогенного слитка с содержанием 85-95% оксинитрида титана, обладающего областью составов Ti N 0,35-0,7 О 0,4-0,6, которая обеспечивает требуемое качество с высокими потребительскими свойствами.

Поставленная задача решается в способе получения слитков на основе оксинитридов титана состава Ti N0,35-0,7 O0,4-0,6, который включает сжигание титансодержащей шихты в реакторе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в атмосфере азота под давлением 40-150 атм. В качестве титансодержащей шихты используют отход титанового производства в виде измельченного шлака огневого реза титана и его сплавов фракции минус 0,5 мм, содержащего титан, азот, кислород и механические примеси окислов титана. При использовании шлака огневого реза титана и его сплавов, содержащего более 5 вес.% механических примесей окислов титана, в шихту дополнительно вводят стружку титана или его сплавов, или порошок титана в количестве 0,5-1 долей по отношению к избыточному количеству механических примесей окислов титана.

Шлак огневого реза титана и его сплавов образуется в качестве отхода при технологических операциях разделки заготовок титана и его сплавов газовыми горелками. Он представляет из себя металлизированную часть, которая при резке насыщается азотом до 2-4% и кислородом до 6-8% с прилипшими к этой части образующимися окислами титана. Количество чисто окисной составляющей в таких отходах может доходить по весу до 10-15%.

Шлак огневого реза титана и его сплавов перед помещением в реактор СВС измельчают до фракции минус 0,5 мм, поскольку более крупные фракции плохо зажигаются и должного распространения волны горения не происходит.

Давление азота в камере поддерживают в пределах 40-150 атм, исходя из того, что при более низком давлении шихта практически не горит. Давление азота более 150 атм нецелесообразно применять исходя из штатных особенностей по безопасности конструкции промышленных реакторов СВС.

При наличии в шлаке огневого реза титана и его сплавов механических примесей (прилипших) окислов титана более 5%, для повышения термичности процесса СВС в шихту вводят мелкую стружку титана и его сплавов, либо порошок титана в количестве 0,5-1 долей по отношению к избыточному количеству механических примесей окислов титана в шихте. Указанное количество компенсирующих добавок выбрано в том числе исходя из соотношения атомных долей титана и кислорода для получения требуемой области составов оксинитридов титана.

Следует отметить, что в номенклатуре титана и титановых сплавов имеются марки, содержащие ванадий, алюминий, молибден, цирконий, ниобий. Поэтому в массе шлака огневого реза наряду с титаном могут присутствовать по отдельности или в сочетаниях ванадий - до 4%, алюминий - до 4%, молибден - до 2%, ниобий - до 0.5%, цирконий - до 0,5%. Однако все указанные элементы способны также образовывать и нитриды и оксинитриды с высокими свойствами. Их присутствие не ухудшит конечные свойства получаемого продукта.

Примеры осуществления процесса

В экспериментах использовался шлак огневого реза титана и его сплавов двух типов: шлак I - металлизированный с количеством механических примесей окислов титана 3,5%, который содержал, вес.%: азот - 3,8; кислород - 8,0; ванадий - 3,6; алюминий - 3,8, молибден - 1,4; ниобий - 0.3; остальное - титан и шлак II с количеством прилипших механических примесей окислов титана около 10% (вес.). В последнем случае количество кислорода в шихте составило 13,3%.

Режим горения указанных материалов в атмосфере азота осуществляли в опытно-промышленном реакторе СВ-25. Материалы измельчали, засыпали в контейнер и после достижения выбранного давления азота поджигали термитной смесью на основе алюминия. Вес шихты составлял 5-8 кг. Результаты опытов по выбору оптимальных параметров приведены ниже:

Номер Тип Крупность Давление Характер процесса
варианта шлака размола, мм азота, атм
1, 1а I -1 80 и 120 Горения нет или неравномерное
2 I -0.5 80 Горение прошло полностью
3 I -0,5 30 Горения нет
4 I -0,5 40 Горение прошло полностью
5 I -0,5 120 Горение прошло полностью
6* II -0,5 120 Прогорела восьмая часть высоты
шихты
7** II -0,5 150 Прогорела четверть высоты шихты
8*** II -0,5 150 Горение прошло полностью

* без добавок мелкой титановой стружки или порошка титана.

** с добавкой в шихту мелкой титановой стружки в количестве 0,3 доли от количества избыточных механических примесей окислов титана в материале (сверх 5%).

*** с добавкой в шихту мелкой титановой стружки в количестве 0,5 долей от количества избыточных механических примесей окислов титана в материале (сверх 5%).

Состав полученной оксинитридной фазы:

Номер варианта Содержание, вес.% Формула TiNzOу
Ti N O z y z+y
2 66,5 10,45 10,52 0,54 0,47 1,01
4 71,7 7,32 10,42 0,35 0,43 0,78
4 69,4 11,38 9,06 0,56 0,39 0,95
5 64,9 12,0 11,17 0,63 0,52 1,15
8*** 65,3 9,39 10,45 0,49 0,48 0,97
8*** 65,0 11,78 10,67 0,62 0,49 1,11

Неорганический материал на основе оксинитридов титана, полученный в оптимальных условиях, представляют из себя слитки (спеки) желтого цвета, характерного для оксинитридов титана (см. фото), имеет высокую микротвердость 19000 МПа.

Количество оксинитридной фазы титана в материале в данных экспериментах составило 85-90%. Остальное - ванадий, алюминий, молибден, ниобий, входящие в твердый раствор продукта. При ином сочетании отходов титана и его сплавов сумма указанных дополнительных элементов может быть меньше, что имеет место на практике. В этом случае возможно увеличение оксинитридной фазы титана в материале до 95%.

Таким образом, экспериментальные данные подтверждают, что переработка шлака огневого реза титана и его сплавов в режиме горения при давлении азота в реакторе СВС позволяет получать неорганический материал на основе оксинитридов титана с областью составов, характеризующейся по данным приведенных выше источников информации сочетанием высоких благоприятных свойств для их широкого применения в промышленности.

Постоянное наличие шлака огневого реза титана и его сплавов как отхода и имеющиеся производственные мощности по СВС-технологиям дают возможности для организации малозатратной крупномасштабной промышленной технологии производства неорганического материала на основе оксинитридов титана с высокими качественными и потребительскими свойствами.

1. Cпособ получения слитков на основе оксинитридов титана состава TiN0,35-0,7O0,4-0,6, включающий сжигание титансодержащей шихты, отличающийся тем, что в качестве титансодержащей шихты используют отход титанового производства в виде измельченного шлака огневого реза титана и его сплавов фракции минус 0,5 мм, содержащего титан, азот, кислород и механические примеси окислов титана, при этом сжигание шихты проводят в реакторе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в атмосфере азота под давлением 40-150 атм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют шлак огневого реза титана и его сплавов, содержащий более 5 вес.% механических примесей окислов титана, при этом в шихту дополнительно вводят стружку титана или его сплавов или порошок титана в количестве 0,5-1 долей по отношению к избыточному количеству механических примесей окислов титана в шихте.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к способу извлечения металлов, в частности редкоземельных металлов и марганца, из силикатных шлаков. Способ включает измельчение шлака и выщелачивание.
Изобретение относится к области извлечения чистого пентаоксида ванадия из шлака, полученного при его производстве. В данном способе берут предварительно измельченный ванадийсодержащий шлак, сплавляют его с едким натром с получением метаванадата натрия.
Изобретение относится к металлургии. Способ переработки отвального конверторного шлака производства никеля включает дробление указанного шлака в шаровой мельнице и просеивание его через сито с размером ячейки 1 мм.

Изобретение относится к горной, металлургической и строительной промышленности и может быть использовано при утилизации шлаков ферросплавного производства. В способе дробление шлака осуществляют до фракции -10,0+0,0 мм с последующим его грохочением на три фракции: -10,0+1,0 мм, -1,0+0,315 мм и -0,315+0,0 мм, причем фракцию -10,0+1,0 мм подвергают дополнительному дроблению и возвращают на грохочение, затем каждую из двух фракций: -1,0+0,315 мм и -0,315+0,0 мм раздельно сушат, а затем двумя разделенными потоками подвергают сначала электросепарации с разделением на проводниковые и непроводниковые фракции, затем каждую из полученных фракций подвергают последовательно сначала слабомагнитной, а затем сильномагнитной сепарации с выделением сильномагнитной фракции в виде железного скрапа и крупной и мелкой фракций металлической фазы ферросплавов и выделением немагнитной непроводниковой фракции в виде высокоглиноземистого концентрата.
Изобретение относится к металлургии, а именно к способу извлечения никеля и кобальта из отвальных конверторных шлаков комбинатов. Способ включает химико-термическую обработку шлаков, содержащих 0,4-1% никеля и 0,2-0,9% кобальта в виде окислов и 2-10% серы.

Изобретение относится к области рециклинга цветных металлов (например, алюминия и его сплавов, магния, цинка). Устройство включает раму со сжимающей шлак головкой, изложницу для сбора отжатого из шлака металла, установленную на ней шлаковницу, патрубок для подключения вакуума к изложнице через сквозное отверстие, выполненное в боковой стенке изложницы, и уплотнение, размещенное в зазоре между шлаковницей и изложницей.
Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к способу переработки алюмосодержащих шлаков и получению сплавов на основе алюминия электролизом расплавов.
Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к переработке вторичных алюминиевых отходов, и может быть использовано для подготовки шлаков, образующихся при производстве алюминия из ломов и отходов для дальнейшей переработки и применения.
Изобретение относится к извлечению цветных металлов, в частности меди, никеля и кобальта, из металлургических отходов, содержащих эти цветные металлы в степени окисления, большей или равной нулю.
Изобретение относится к металлургической и строительной отраслям промышленности и может быть использовано при переработке распадающегося металлургического шлака, а именно для извлечения из него металлической составляющей, препятствующей его использованию в качестве сырьевого компонента при производстве строительных материалов.

Изобретение может быть использовано в производстве строительных материалов. Фотокаталитический композиционный материал практически без диоксида титана содержит известняк по меньшей мере 0,05% по весу натрия и титанат кальция в кристаллических фазах СТ2 и/или СТ5, характеризуемых следующими дифракционными максимумами: СТ2: (002) d=4,959; (210-202) d=2,890; (013) d=2,762 и (310-122) d-2,138; СТ5: (002) d=8,845; (023) d-4,217; (110) d=3,611 и (006) d=2,948.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Для получения диборида титана выбирают целевой средний размер частиц для продукта диборида титана и количество серы исходя из целевого среднего размера частиц.
Изобретение предназначено для подготовки поверхности титана перед нанесением биоактивных покрытий на поверхность имплантата. Травитель для титановых имплантатов содержит фосфорную кислоту, окислитель и воду при следующих количественных соотношениях компонентов, мас.%: фосфорная кислота 23-65, пероксид водорода 3-30, вода - остальное.

Изобретение относится к металлургии тугоплавких соединений. Способ получения карбида титана включает использование в качестве исходных компонентов субхлорида алюминия, тетрахлорида титана и углерода.

Изобретение относится к технологии производства антифрикционных добавок и смазочных композиций для использования в узлах трения качения и скольжения в автомобильной, машиностроительной, текстильной, химической и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к области химического синтеза гетерометаллических пленкообразующих растворов, базирующихся на совместном использовании алкоксидных и карбоксилатных производных металлов.

Изобретение относится к металлорганическим латентным каталитическим соединениям, которые являются подходящими в качестве катализаторов в реакциях полиприсоединения или поликонденсации, которые катализируются катализатором типа кислоты Льюиса, в частности, для сшивки блокированного или не блокированного изоцианата или изотиоцианатного компонента с полиолом или политиолом с формированием полиуретана (ПУ).

Изобретение относится к технологии получения нитридов, в частности нитрида титана, который представляет собой твердый, тугоплавкий и химически инертный материал, который применяют в качестве покрытий для режущих и обрабатывающих инструментов, для шлифовки, при изготовлении жаропрочных материалов, износостойких и декоративных покрытий.
Изобретение относится к технологии минеральных дубителей и может быть использовано при получении титанового дубителя из титансодержащего сырья, в частности из гидроксида титана.

Изобретение относится к области химического синтеза металлосодержащих растворов сложного состава, включающих как алкоксидные, так и карбоксилатные производные металлов, применяемых для получения оксидных твердых растворов с использованием золь-гель технологии, а именно к способам приготовления безводных пленкообразующих растворов для формирования сегнетоэлектрических пленок цирконата-титаната свинца с низкой температурой кристаллизации и может быть использовано в технологии микроэлектроники и, в частности, для производства энергонезависимых радиационно-стойких сегнетоэлектрических запоминающих устройств.
Настоящее изобретение относится к антифрикционной смазке для узлов трения на основе литиевого мыла стеариновой кислоты и минерального масла, при этом она дополнительно содержит полиэтиленовый воск и суспензию титаната калия при следующем соотношении компонентов, мас.%: литиевое мыло стеариновой кислоты 5,0-12,0; полиэтиленовый воск 1,0-7,0; суспензия титаната калия 1,0-15,0; минеральное масло - остальное до 100%, причем суспензия титаната калия имеет следующий состав (мас.%): порошок титаната калия 60,1-70,0, минеральное масло - остальное до 100%. Техническим результатом настоящего изобретения является повышение трибологических свойств смазки, таких как критическая нагрузка, нагрузка сваривания, диаметр пятна износа, а также снижение степени смываемости смазки водой с поверхностей трения. 4 табл.
Наверх