СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАРБИДА ТИТАНА Российский патент 2001 года по МПК C22B34/12 C01B31/30 C22C1/05 

Изобретение относится к области металлургии тугоплавких металлов, в частности к получению карбидов титана, которые являются базовыми материалами, применяемыми в передовых и наукоемких технологиях. Они широко используются при изготовлении режущего инструмента взамен карбидов вольфрама, в защитных покрытиях на инструментах и изделиях, в качестве наполнителей алмазных абразивных паст, а также для производства спецсталей и сплавов.

Известны способы получения карбида титана путем нагрева порошкообразных оксида титана и сажи в угольных печах в атмосфере водорода при 2250^oC, конечный продукт содержит 20-20,5% углерода, из которых 1,5-2,0% находятся в виде графита (Киффер P., Бензовский Ф. Твердые материалы. М., Металлургия, 1968). Недостаток этого метода - наличие относительно большого количества свободного углерода (в продуктах восстановления) и сложное аппаратурное оформление процесса.

Известен способ приготовления дисперсных порошков карбида титана путем взаимодействия органических соединений титана и полимеров с последующим нагревом образующихся продуктов (патент США N 4622215 от 11.11.1986). Содержание углерода связанного не приводится, производительность процесса низка.

Известен метод механического легирования [E1 - Eskandarany N. Met. and Materials. Trans. AE Mat. Trans. A. I. 1966. 27. N 8. P.2374-2378]. Исходная шихта из порошков титана и сажи измельчалась в агатовой мельнице при комнатной температуре, в конечном продукте свободных атомов углерода и сажи не обнаружено. Недостаток метода - образование карбида титана нестехиометрического состава.

В качестве прототипа предлагаемого способа выбран метод получения карбида титана самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС), заключающийся в следующем. Исходные компоненты - металлические порошки и сажистый углерод - тщательно перемешивают, брикетируют и помещают в реактор. Процесс инициируют при помощи запального устройства, при этом протекает реакция карбидизации при температуре выше 1600^oC, продолжительность охлаждения 2 часа, за смену получают 20 кг карбида титана [Кипарисов С.С. и др. Карбиды титана. М., Металлургия, 1987, с.259].

Недостаток прототипа: подготовительный цикл характеризуется многочисленными операциями (прессование брикетов, монтаж запального устройства и др.); относительно сложное аппаратурное оформление (герметичная бомба - реактор) и низкая цикловая производительность; проблемы работы с реакционными газами при высоком давлении. В целом эти обстоятельства приводят к высоким трудозатратам всего технологического цикла.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и, как следствие, техническим результатом - увеличение производительности процесса.

Технический результат достигается способом получения карбида титана взаимодействием титановых порошков с сажистым углеродом, при этом исходную смесь предварительно выдерживают в вакууме при 200-300^oC в течение 60-120 мин, после чего непрерывно подают в реакционную зону аппарата при 885-1000^oC.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Исходные титановые порошки и сажистый углерод адсорбируют на своей поверхности некоторое количество кислорода и влагу из атмосферного воздуха. При быстром нагреве шихты, что имеет место в СВС процессе, происходит окисление металлического титана, поверхность порошков пассивируется и металл теряет свои активные свойства. В конечном итоге процесс синтеза протекает недостаточно полно и образуется карбид титана, содержащий до 2% свободного углерода.

В предлагаемом способе исходные компоненты предварительно нагреваются в вакууме, что способствует удалению адсорбированного кислорода и влаги. Титановые порошки приобретают активные свойства, их реакционная способность возрастает. Вследствие этого, когда такая шихта поступает в горячую реакционную зону аппарата, синтез будет протекать наиболее полно с высокой скоростью с образованием карбида стехиометрического состава при минимальном содержании непрореагировавшего свободного углерода. Кроме того, предварительное удаление из исходной шихты адсорбированных газов при нагреве до 200-300^oC снижает выделение газов в объеме реактора и уменьшает общее давление в аппарате. Таким образом, непрерывная подача обезгаженных исходных компонентов в аппарат, имеющий свободный объем (типа промышленного реактора для производства губчатого титана), позволит осуществить получение карбида титана с высокой скоростью.

Выбор технологических параметров обусловлен следующим. Предварительный нагрев исходной шихты в вакууме при температуре ниже 200^oC не позволяет максимально удалить адсорбированные газы и влагу, что снизит количество углерода связанного и увеличит содержание углерода свободного в получаемом карбиде титана, при этом производительность процесса уменьшится. С другой стороны, повышение температуры дегазации выше 300^oC может привести к взаимодействию остаточных количеств газов с металлическим титаном, запассивировать его поверхность, при этом также возможно неполное взаимодействие исходных компонентов, в продуктах синтеза возрастает количество углерода свободного, производительность реактора снижается.

Проведение дегазации порошков менее 60 мин не приведет к удалению кислородсодержащих примесей, поверхность порошков будет пассивной и в карбиде будет присутствовать свободный углерод; при этом скорость процесса снижается. В случае увеличения выдержки более 120 мин производительность реактора снижается.

Подача дегазированной шихты в реактор при температуре ниже 885^oC не позволит осуществить полный синтез карбида титана, продукты реакции будут содержать непрореагировавший углерод, производительность аппарата падает. При увеличении температуры выше 1000^oC возможно загрязнение продуктов реакции железом, что также способствует снижению производительности процесса.

Пример. Опыты проводили на установке, состоящей из реактора с крышкой и реакционного стакана из графита; на крышке реактора установлен герметичный дозатор с нагревателями. Обогрев реактора осуществляли при помощи шахтной электропечи, в случае необходимости производили воздушное охлаждение реактора. В дозатор загружали исходную шихту, состоящую из титановых порошков и сажистого углерода, и производили вакуумирование дозатора при одновременном нагреве шихты. После удаления с поверхности шихты адсорбированных газов осуществляли непрерывную подачу ее в нагретый до 885-1000^oC реакционный стакан. Температуру в реакторе поддерживали в заданном интервале путем подачи воздуха для охлаждения стенок реактора и скоростью загрузки шихты. После окончания подачи реагентов аппарат охлаждали, демонтировали, полученные продукты анализировали на содержание углерода связанного и свободного. Результаты опытов приведены в таблице.

Полученные данные позволяют сделать заключение о техническом эффекте предлагаемого способа - осуществление синтеза карбида титана с предварительной дегазацией шихты и непрерывной подачей ее в нагретый аппарат позволяет достигнуть высокой производительности процесса (в 2-3 раза).

Экономический эффект заключается в использовании простой аппаратуры (типа промышленного реактора для магниетермического производства титана), что позволит снизить стоимость карбида (на 30-50%).

Изобретение относится к металлургии производства тугоплавких материалов-карбидов. Получение карбидов титана осуществляют путем взаимодействия титановых порошков с сажистым углеродом, при этом исходную смесь предварительно выдерживают в вакууме при 200-300^oС в течение 60-120 мин. После этого непрерывно подают в реакционную зону аппарата при 885-1000^oС. Благодаря такому решению отпадает необходимость в сложной аппаратуре и исключается выделение реакционных газов, что позволит увеличить производительность (в 2-3 раза) и снизить стоимость получаемого карбида (на 25-30%). 1 табл.

Способ получения карбида титана путем взаимодействия титановых порошков с сажистым углеродом, отличающийся тем, что исходную смесь предварительно выдерживают в вакууме при 200-300^oС в течение 60-120 мин, после чего непрерывно подают в реакционную зону аппарата при 885-1000^oС.