СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИБОРИДА ХРОМА Российский патент 2015 года по МПК C01B35/04 

Предлагаемое изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к синтезу диборида хрома, и может быть использовано для изготовления обмазок, применяемых при борохромировании поверхностей стальных деталей с целью повышения их износостойкости и при изготовлении плазменно-напыленных износо- и термостойких покрытий на сталях.

Известен способ получения диборида хрома восстановлением смеси оксидов хрома и бора магнием (Л.К. Ламихов, В.А. Неронов, В.Г. Кочарженко, Т.Е. Серпенинова. Получение порошкообразных боридов хрома методами металлотермии / В сб.: Применение порошковых, композиционных материалов и покрытий в машиностроении. Тезисы докладов V Уральской региональной конференции по порошковой металлургии и композиционным материалам. Пермь: ППИ, 1983, с.12).

Однако указанный способ имеет следующие недостатки. Образующийся в ходе реакции оксид магния необходимо отмывать раствором слабой азотной кислоты, что усложняет процесс. Во всех случаях, даже при расчете шихты на получение диборида хрома CrB₂, получалась смесь моноборида CrB и диборида CrB₂. В порошке боридов возможна примесь MgCr₂O₄. Таким образом, в данном процессе невозможно получение чистого, не содержащего примесей, диборида хрома.

Кроме того, известен способ получения диборида хрома (Карасев А.И. Получение порошков технических боридов титана, циркония, хрома и вольфрама борокарбидным методом. Порошковая металлургия, 1973, №10, С.1-5), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и заключающийся в нагреве шихты из смеси окиси хрома, карбида бора по ГОСТ 5744 и сажи (высокодисперсного углеродного материала) марки ПМ-50 по ГОСТ 7885 при температуре 1800°C в течение 60 минут. Согласно ГОСТ 5744 карбид бора выпускается зернистостями: 16; 12; 10; 8; 5; 4; М40; М28; М20; М14; М10; М7; М5 по ГОСТ 3647. Следовательно, в прототипе использовался порошок карбида бора с размером частиц от 3 до 200 микрон. Сажа марки ПМ-50 в настоящее время не выпускается. Однако известно, что ее удельная поверхность находилась на уровне 50 м²/г (ГОСТ 7885-68).

Однако указанный способ имеет недостаток. Это значительные энергозатраты, связанные с проведением процесса при высокой температуре, длительностью его проведения и обусловленные сравнительно большим размером частиц карбида бора и сравнительно невысоким значением удельной поверхности сажи (высокодисперсного углеродного материала).

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение энергозатрат при получении диборида хрома.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе получения диборида хрома, заключающемся в нагреве шихты из смеси окиси хрома, карбида бора и высокодисперсного углеродного материала, нагрев шихты проводят при температуре 1400…1600°C в течение 20…25 минут, при этом частицы карбида бора имеют размер не более 1 микрона, удельная поверхность высокодисперсного углеродного материала составляет 138…160 м²/г, а в качестве высокодисперсного углеродного материала используют нановолокнистый углерод.

Способ осуществляется следующим образом. Порошки окиси хрома, карбида бора с размером частиц менее 1 микрона и высокодисперсного углеродного материала (нановолокнистого углерода с удельной поверхностью 138…160 м²/г) просеиваются через сито с размером ячейки 100 мкм. При просеивании происходит перемешивание компонентов шихты. Далее смесь загружается в тигель из стеклоуглерода внутренним диаметром 15 мм и высотой внутреннего пространства 60 мм. Тогда объем его 10,603 см³. При плотности шихты 4,3 г/см³ масса ее примерно равна 31 грамму. Тигель из стеклоуглерода закрывается графитовой крышкой и помещается в кварцевый реактор, который, в свою очередь, вставляется в индуктор индукционной печи. Для предотвращения азотирования карбида бора кварцевый реактор продувается аргоном. Нагрев шихты производят при температуре 1400…1600°C в течение 20…25 минут.

Температура в реакторе контролируется оптическим пирометром. После остывания реактора прекращается подача аргона, из реактора извлекается тигель, из тигля высыпается продукт реакции (порошок диборида хрома).

При температурах ниже 1400°C диборид хрома образуется совместно с низшими боридами (CrB и Cr₃B₄), о чем свидетельствует присутствие рефлексов всех трех боридов на дифрактограммах. При температурах, превышающих 1600°C, образуется только диборид хрома, однако имеют место непроизводительные энергозатраты. При времени процесса менее 20 минут диборид хрома образуется, однако реакция его образования протекает не полностью, о чем свидетельствует присутствие на дифрактограммах не только его рефлексов, но и рефлексов исходных реагентов - окиси хрома и карбида бора. При времени процесса более 25 минут диборид хрома образуется, однако имеют место непроизводительные энергозатраты. При использовании карбида бора с размером частиц более 1 микрона времени 25 минут при температуре 1400…1600°C оказывается недостаточно для полного завершения процесса образования диборида хрома, о чем свидетельствует наличие на дифрактограммах рефлексов исходных реагентов - окиси хрома и карбида бора. При уменьшении величины удельной поверхности порошка нановолокнистого углерода ниже 138 м²/г времени 25 минут и температуры 1600°C оказывается недостаточно для полного завершения процесса образования диборида хрома, о чем свидетельствует наличие на дифрактограммах рефлексов исходных реагентов - окиси хрома и карбида бора. Увеличение значения удельной поверхности порошка нановолокнистого углерода выше 160 м²/г невозможно при любом времени измельчения.

Использование карбида бора с размером частиц более 1 микрона и нановолокнистого углерода с удельной поверхностью ниже 138 м²/г приведет к увеличению температуры процесса выше 1600°C и времени процесса выше 25 минут, что повышает энергозатраты.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет снизить параметры процесса синтеза диборида хрома (температуру и время процесса) и тем самым уменьшить энергозатраты.

Пример реализации изобретения.

Порошки окиси хрома, карбида бора и нановолокнистого углерода совместно просеиваются через сито с размером ячейки 100 мкм. Далее готовая шихта засыпается в тигель из стеклоуглерода. Тигель закрывается графитовой крышкой и помещается в кварцевый реактор, который, в свою очередь, вставляется в индуктор индукционной печи. Кварцевый реактор продувается аргоном. Температура процесса 1500°C, время выдержки при этой температуре 22 минуты. Рентгенофазовым анализом установлено наличие в продуктах реакции (термообработанной шихте) только одной фазы - диборида хрома.

Изобретение относится к способу получения диборида хрома, состоящему в нагреве шихты из смеси окиси хрома, карбида бора и высокодисперсного углеродного материала. При этом нагрев шихты осуществляют при температуре 1400…1600°C и времени 20…25 минут, частицы карбида бора имеют размер не более 1 микрона, удельная поверхность высокодисперсного углеродного материала составляет 138…160 м²/г, а в качестве высокодисперсного углеродного материала используют нановолокнистый углерод. Способ позволяет уменьшить энергозатраты при получении диборида хрома.

Способ получения диборида хрома, состоящий в нагреве шихты из смеси окиси хрома, карбида бора и высокодисперсного углеродного материала, отличающийся тем, что нагрев шихты осуществляют при температуре 1400…1600°C и времени 20…25 минут, при этом частицы карбида бора имеют размер не более 1 микрона, удельная поверхность высокодисперсного углеродного материала составляет 138…160 м²/г, а в качестве высокодисперсного углеродного материала используют нановолокнистый углерод.