ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НИТРИДА АЛЮМИНИЯ Российский патент 1999 года по МПК C01B21/72 

Изобретение относится к химической технологии получения неорганических веществ, в частности соединений алюминия.

Из уровня техники известно значительное количество технологий получения нитрида алюминия. Известны гидрометаллургические способы, предусматривающие жидкофазное контактирование алюмоорганических соединений с азотсодержащими реагентами с получением продуктов, при последующем нагревании которых выделяется нитрид алюминия [1-5]. Однако заявляемое решение относится к пирометаллургическим способам получения нитрида алюминия.

Пирометаллургические технологии включают термическую обработку исходных алюминийсодержащих шихт в азотсодержащей среде. Наибольшее распространение получили шихты, содержащие оксид либо гидроксид алюминия и углеродистый восстановитель [6-15] . В качестве исходного сырья используют и чистый алюминий, главным образом, алюминиевый порошок [16-18], иногда - расплавленный алюминий с добавками некоторых других металлов [19]. Также известна композиция, включающая восстанавливающуюся соль алюминия, нитридов и галогенидов щелочных или щелочноземельных металлов [20]. Известно использование в качестве исходной шихты смеси алюминия и селена, при нагревании такой смеси образуется летучий селенид алюминия, реагирующий в газовой фазе с азотом с образованием нитрида алюминия [21].

Наиболее близкой к заявляемой является шихта, описанная в [22]. Известная шихта содержит кусковый материал, содержащий металлический алюминий, в т. ч. невысокой степени чистоты, например карботермический сплав, содержащий около 50% алюминия, а также железо, кремний, титан и углерод. Шихту при температуре около 1000^oC продувают газообразным трихлоридом алюминия, образующийся при этом летучий субхлорид алюминия реагирует в газовой фазе с азотом или аммиаком с образованием мелкодисперсного нитрида алюминия. Возможно также использование известной шихты и в расплавленном состоянии.

Известная шихта обеспечивает получение высокочистого нитрида алюминия, однако малопригодна в случае использования в качестве исходного сырья алюминия в виде сплавов с другими металлами, например, магнием, цинком, бериллием, поскольку перечисленные металлы образуют летучие хлориды, загрязняющие нитрид алюминия.

Задачей настоящего изобретения является сокращение загрязнения нитрида алюминия металлами-примесями и их соединениями.

Поставленная задача решается в заявляемом изобретении за счет того, что известная шихта, включающая алюминиевый сплав, дополнительно содержит фторид алюминия (III) при следующем соотношении ингредиентов, масс.%:
фторид алюминия(III) - 60-75
алюминиевый сплав - остальное
Сущность заявляемого решения заключается в следующем.

При нагревании такой шихты при температурах 1100-1300^oC фторид алюминия (III), сублимируя, взаимодействует с алюминием с образованием газообразного субфторида алюминия (I). Субфторид алюминия в газовой фазе взаимодействует с азотом и/или аммиаком и/или с другим азотсодержащим соединением с образованием твердого чистого нитрида алюминия. Например:
3AlF_(г) + N_2(г) = 2AlN_(тв.) + AlF_3(г).

Фториды железа, магния, марганца, лития, цинка, кальция, меди, хрома, никеля в отличие от хлоридов, в этих условиях не летят и остаются в твердом или жидком шламе шихты. Фториды кремния, титана возгоняются, однако в газовой фазе не взаимодействуют с азотом и азотсодержащими соединениями и, не конденсируясь, удаляются из зоны реакции вместе с газообразными продуктами реакции. Это позволяет использовать в качестве исходного сырья для получения нитрида алюминия некондиционные отходы алюминиевых сплавов.

Заявляемая шихта опробована в лабораторных условиях.

Пример 1.

Измельченный алюминиевый сплав Д16 (3,8-4,9% Cu, 1,2-1,8% Mg, 0,3-0,9% Mn, 0,5% Si, Al - остальное) перемешивали со фторидом алюминия в соотношении 1: 1,5 по массе. Полученную шихту в тигле из нитрида алюминия нагревали до 1250^oC. Над тиглем продували аммиак. Образующаяся взвесь током аммиака подавалась в зону осаждения, где при температуре 1250^oC осаждались твердые продукты реакции. Газообразные продукты реакции током аммиака выводились из реактора. Рентгенофазовый анализ показал, что в зоне осаждения конденсируется чистый порошок нитрида алюминия.

Пример 2.

Измельченный алюминиевый сплав АЛ20 (3,5-4,5% Cu, 0,7-1,2% Mg, 0,15-0,3% Mn, 1,5-2,0% Si, 0,15-0,25% Cr, 1,2-1,7% Fe, 0,06-0,1% Ti, Al - остальное) перемешивали со фторидом алюминия в соотношении 1:3 по массе. Полученную шихту подвергали обработке как в примере 1. Рентгенофазовый анализ порошка из зоны осаждения показал, что это чистый нитрид алюминия.

Пример 3.

Измельченный алюминиевый сплав АЛ4 (0,17-0,3% Mg, 0,2-0,3% Mn, 8-10,5% Si, Al - остальное) перемешивали со фторидом алюминия в соотношении 1:3 по массе. Полученную шихту в тигле из нитрида алюминия нагревали до 1100^oC. Над тиглем продували аммиак при остаточном давлении 0,13 КПа. Образующаяся взвесь током аммиака подавалась в зону осаждения, где при температуре 1100^oC осаждались твердые продукты реакции. Газообразные продукты реакции током аммиака выводились из реактора. Рентгенофазовый анализ показал, что в зоне осаждения конденсируется чистый порошок нитрида алюминия.

Литература
1. Заявка Японии N 54-13439, МПК C 01 B 21/06, опубл. 30.05.79 г.

2. Заявка Японии N 1-56308, МПК C 01 B 21/072, опубл. 03.03.89 г.

3. Европейская заявка N 0301529, МПК C 01 B 21/072, C 04 B 35/58, опубл. 01.02.89 г.

4. Заявка ФРГ N 3828596, МПК C 01 В 21/072, C 04 B 35/58, 35/64, опубл. 11.05.89 г.

5. Патент США N 4800183, МПК C 01 В 21/06, C 01 F 7/00, опубл. 24.01.89 г.

6. Заявка Японии N 99-51483, МПК C 01 B 21/072, опубл. 14.12.81 г.

7. Заявка Великобритании N 2233969, МПК C 01 B 21/072, опубл. 23.01.91 г.

8. Заявка Японии N 3-48123, МПК C 01 В 21/072, опубл. 23.07.91 г.

9. Заявка ФРГ N 3912686, МПК C 01 В 21/06, 21/072, 21/076, C 04 B 35/58, опубл. 02.11.89 г.

10. Международная заявка N 91/00842, МПК C 01 В 21/072, 24.01.91 г.

11. Европейская заявка N 0266927, МПК C 01 B 21/072, опубл. 11.05.88 г.

12. Европейская заявка N 0372691, МПК C 01 B 21/072, H 01 L 21/48, опубл. 13.06.90 г.

13. Заявка Франции N 2608146, МПК C 01 B 21/072, опубл. 17.06.88 г.

14. Заявка Великобритании N 2108945, МПК C 01 B 21/072, C 01 F 7/00, опубл. 25.05.83 г.

15. Патент США N 4917877, МПК C 01 B 21/072, опубл. 17.04.90 г.

16. Заявка Японии N 41-31118, МПК C 01 B 21/06, опубл. 21.01.71 г.

17. Заявка Японии N 1-79009, МПК C 01 B 21/072, опубл. 24.03.89 г.

18. Заявка Японии N 1-133911, МПК C 01 B 21/072, опубл. 25.05.89 г.

19. Европейская заявка N 0371771, МПК C 01 B 21/072, C 04 B 35/58, C 30 B 11/00, 29/40, 29/60, опубл. 06.06.90 г.

20. Патент США N 3450499, МПК C 01 B 21/06, опубл. 17.06.69 г.

21. Патент США N 4172754, МПК C 01 B 21/06, опубл. 30.10.79 г.

22. Европейский патент N 0308116, МПК C 01 B 21/072, опубл. 22.03.89 г.

Изобретение относится к химической технологии получения соединений алюминия. Шихта состоит из алюминиевого сплава с магнием, железом, медью, кремнием, кальцием, литием, цинком, хромом, никелем, титаном и фторида алюминия (III) в соотношении соответственно 25-40 и 75-60 (мас.%). Шихта обеспечивает получение нитрида алюминия высокой чистоты из низкокачественного алюминийсодержащего лома.

Шихта для получения нитрида алюминия, включающая алюминиевый сплав, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит трифторид алюминия при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Трифторид алюминия - 60 - 75
Алюминиевый сплав - Остальное