МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ТУГОПЛАВКОГО СОЕДИНЕНИЯ ТИТАНА, СОДЕРЖАЩИЙ КАРБИД КРЕМНИЯ, И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК C01B31/30 C04B35/56 

Изобретение относится к металлообрабатывающей и химической промышленности и может быть использовано в металлообрабатывающей и химической промышленности в качестве абразивов, наплавочных смесей, режущего инструмента, на основе карбидов, нитридов и карбонитридов титана, по своим физико-механическим характеристикам является ведущими средами других традиционно используемых соединений (корунд и карбид вольфрама). Абразивная способность указанных тугоплавких соединений, являющаяся функцией их твердости, прочностно-пластических характеристик и структуры, зависит как от химического состава, так и от технологии получения.

Известен материал и способ получения углеродсодержащего материала, в состав которого входят карбид кремния и карбиды группы титана [1] Углеродсодержащий материал вместе с кремнийсодержащим материалом и материалом, содержащим элементы группы титана, выдерживают в инертной атмосфере, исключающей влияние кислорода, при температуре выше температуры плавления кремнийсодержащего материала. В результате реакции кремнийсодержащего материала с кремнийсодержащим материалом образуется карбид кремния. Реакция происходит с большим выделением тепла, под действием которого инициируется реакция углеродсодержащего материала с материалом, содержащим элементы группы титана, с образованием материала, содержащего углерод, карбид кремния и карбиды элементов группы титанов.

Материал характеризуется абразивной способностью 0,035 г, наличие несвязанного углерода ведет и к снижению абразивного износа.

Недостатком способа является его двухстадийность и использование в качестве исходного сырья нескольких составляющих компонентов.

Задачей изобретения является получение материала на основе тугоплавкого соединения титана с достаточно высокой абразивной способностью и способ его получения с использованием легкодоступного и дешевого сырья.

Поставленная задача решена в способе получения материала на основе тугоплавного соединения титана, содержащего карбид кремния, путем термообработки смеси титан- и кремнийсодержащего сырья и углеродсодержащего вещества, в котором в качестве титана и кремнийсодержащего сырья используют лейкоксеновый концентрат, а в качестве углеродсодержащего вещества сажу и термообработку ведут при 1450 1800^oC в атмосфере азота при парциальном давлении 0,3 1,2 атм.

Поставленная задача решена также в составе материала на основе тугоплавкого соединения титана, содержащего карбид кремния, который в качестве тугоплавкого соединения титана содержит карбонитрид титана при следующем соотношении компонентов мас.

Карбонитрид титана 55 98
Карбид кремния 2 45
Лейкоксеновый концентрат (ЛКК) является отходом после переработки нефтетитановых месторождений. При этом основная масса титана сосредоточена в лейкоксене-продукте, образованном в процессе изменения титановых минералов.

Как видно из таблицы 1, около 90% содержащихся в ЛКК компонентов составляют оксиды титана и кремния основы получения твердых соединений, в частности карбонитридов. Как указывалось выше, лейкоксеновый концентрат является отходом, его запасы исчисляются сотнями тысяч тонн. Его использование в качестве исходного сырья получения карбонитридов титана, включающих карбид кремния, позволяет расширить сырьевую базу за счет привлечения дешевого и легкодоступного сырья. Углетермическое восстановление лейкоксенового концентрата при определенных температурах в газовой среде позволяет получить механическую порошковую смесь двух фаз с разным соотношением компонентов (карбид кремния и карбонитрид титана), которая может быть использовано в качестве абразивного материала.

Материал на основе тугоплавкого соединения титана, содержащий карбид кремния, может быть получен следующим образом.

Готовят исходную смесь, включающую 50% -ный лейкоксеновый концентрат (состав в таблице 1) и углерод в виде сажи, например технический, печной П804-Т, ТУ 38.1154-88. Смесь тщательно перемешивают и помещают в графитовые лодочки в количестве до 2,5 кг, которые помещают в электропечь сопротивления с графитовыми нагревателями и выдерживают при 1450 1800^oC и давлении 0,3 - 1,2 атм в атмосфере азота в течение 0,5 4 ч. Затем полученный порошок охлаждают. Проводят фазовый и химический анализы. Измеряют микротвердость и абразивную способность. Микротвердость изменяется от 2400 до 3000 кг/мм². Оценка абразивной способности осуществляется на примере Шлиф-2 по количеству сошлифованного стекла марки К-8 в соответствии с ГОСТ 28924-94. Полученный порошок для оценки абразивной способности рассеивают по фракциям 60/100 и 100/160 мм. Порошок состоит из двух фаз-тугоплавкого соединения на основе титана (карбонитрида) и карбида кремния при соотношении: карбонитрид титана 55-98% карбид кремния 2-45%
Конечный продукт, представляющий порошковую смесь двух фаз, может быть получен только при ведении процесса при значениях параметров и предлагаемых интервалах и обладает хорошей абразивной способностью при соблюдении предлагаемого соотношения фаз. Ведение процесса при температуре ниже 1450^oC ведет к появлению в конечном продукте наряду с карбонитридом титана и карбидом кремния, оксидных фаз: TiO₂, Ti₃O₅, SiO₂, что ухудшает абразивную способность материала. Ведение процесса при температуре выше 1800^oC является нерентабельным, так как абразивные свойства материала улучшаются незначительно, а энергозатраты резко возрастают. При ведении процесса при парциальном давлении азота менее 0,3 атм. получают смесь карбидов титана и кремния, карбонитрид титана не образуется, что также ухудшает абразивную способность материала. При проведении процесса при парциальном давлении азота более 1,2 атм. резко ухудшается абразивная способность материала (0,030 0,022 г) вследствие ухудшения роста зерна.

Пример 1. Готовят исходную смесь: 68,35 г 50%-ного гейкоксенового концентрата состава по таблице 1 и 31,65 г углерода в виде сажи. Тщательно перемешивают, помещают в графитовые лодочки по 2,5 кг в каждую, которые помещают в печь Таммана с графитовыми нагревателями и с постоянной подачей азота в печь, нагревают до 1500^oC и выдерживают при этой температуре и давлении азота 1,0 атм. в течение 0,5 ч. Полученный продукт охлаждают. По данным фазового анализа получают порошковую смесь фаз TiC_xN_y (63,4%), где X=0,50, Y=0,50 и SiC (36,6%). По данным химического анализа получают материал состава мас. Ti 45,7, Si 23,49, C 19,2 N 7,10, 0 - 0,25, Fe 2,2, AI 2,4, C_св не обнаружен.

Абразивная способность 0,044 г.

Пример 2. Как в примере 1, но при 1800^oC и давлении 1,2 атм. Получают продукт порошковую смесь двух фаз TiC_xN_y (64,3%), где X=0,8, Y=0,2 и SiC (35,7% ). По данным химического анализа состав мас. Ti 47,38, Si 23,47, C_об 20,30, N 5,31, О 1,05, Fe 1,98, AI 1,4, C_св не обнаружен.

Абразивная способность 0,050 г.

Пример 3. Готовят исходную смесь 71,24 г лейкоксенового концентрата (состав таблицы 1) и 28,76 углерода в виде сажи. Получают продукт, как описано в примере 1, но при 1800^oC и давлении 0,3 атм. Порошковая смесь состава TiC_xN_y (73,1% ), где X= 0,46, Y=0,48 и SiC (26,9%). По данным химического анализа состав мас. Ti 57,33, Si 18,82, С_об 14,2, C_св не обнаружен, N 8,06, О 0,6, Fe 1,61, AI не обнаружен.

Абразивная способность 0,038 г.

Пример 4. Получают конечный продукт как описано в примере 1, но выдерживают при 1800^oC и давлении 1 атм. Получают продукт, порошковая смесь состава TiC_xN_y (63,2%), где X=0,37, Y=0,61 и SiC (36,8%). По данным химического анализа состав мас. Ti 46,64, Si 24,15, С_об 14,8, N 8,27, О 2,15, C_св 0,17, Fe 2,47, AI 1,0.

Абразивная способность 0, 040 г.

Пример 5. Готовят исходную смесь 67,8 г лейкоксенового концентрата и 32,2 углерода в виде сажи, далее по примеру 1. Конечный продукт порошковая смесь TiC_xN_y (55% ), где X=0,64, Y=0,35 и SiC (45%). По данным химического анализа состав мас. Ti 42,48, Si 30,9, С_об 198, N - 4,35, О 1,45, Fe 1,07, AI 0,3, C_св не обнаружен.

Абразивная способность 0,050 г.

Пример 6. Готовят исходную смесь 81,5 г лейкоксенового концентрата и 18,5 г углерода в виде сажи, далее по примеру 1. Конечный продукт порошковая смесь TiC_xN_y (98%), где X=0,15, Y=0,85 и SiC (2%). По данным химического анализа состав мас. Ti 67,53, Si 1,2, С_об 5,7, N - 18,37, О 1,37, Fe 3,1, AI 2,4, C_св не обнаружен.

Абразивная способность 0, 036 г.

Абразивная способность материала остается на достаточно высоком уровне только при условии соблюдения указанного соотношения компонентов. Так, при содержании карбонитрида титана более 98 мас. а карбида кремния не менее 2 мас. абразивная способность снижается до 0,030 г. В случае использования в качестве исходного сырья лейкоксенового концентрата состав, содержащий менее 55 мас. карбонитрида титана и более 45 мас. карбида кремния, в условиях по изобретению не получают.

Таким образом, изобретение позволяет расширить сырьевую базу для получения износостойких тугоплавких соединений, обладающих достаточно высокой абразивной способностью, использовать дешевое, легкодоступное сырье, являющееся отходом производства.

Материал на основе тугоплавкого соединения титана по своим абразивным свойствам может быть использован как основа для создания шлифопорошков абразивных и огнеупорных материалов.

Использование: получение абразивов, наплавочных смесей, режущего инструмента. Сущность изобретения: готовят смесь из лейкоксенового концентрата и сажи, перемешивают, термообрабатывают при 1450-1800^oC в атмосфере азота при парциальном давлении 0,3-1,2 атм. Получают порошкообразную смесь, содержащую 55 - 98 мас.% карбонитрида титана формулы Ti Cx Ny, где x = 0,15 - 0,64, y = 0,2 - 0,85, и 2 - 45 мас.% SiC. Материал не содержит примесей свободного углерода, абразивная способность 0,036 - 0,050 г. 2 с.п. ф-лы, 1 табл.

1. Материал на основе тугоплавкого соединения титана, содержащий карбид кремния, отличающийся тем, что в качестве тугоплавкого соединения титана он содержит карбонитрид титана при следующем соотношении компонентов, мас.

Карбонитрид титана 55 98
Карбид кремния 2 45
2. Способ получения материала на основе тугоплавкого соединения титана, содержащего карбид кремния, путем термообработки смеси титан-, кремнийсодержащего сырья и углеродсодержащего вещества в неокисляющей атмосфере, отличающийся тем, что в качестве титан-, кремнийсодержащего сырья используют лейкоксеновый концентрат, в качестве углеродсодержащего вещества - сажу и термообработку указанной смеси ведут при 1450 1800^oC в атмосфере азота при его парциальном давлении 0,3 1,2 атм.