СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАРБИДА БОРА Российский патент 2015 года по МПК C01B31/36 

Предлагаемое изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к синтезу карбида бора, и может быть использовано при финишной металлообработке, для производства керамической брони, при износостойкой наплавке, а также в авиакосмической технике.

Известен способ получения карбида бора методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) путем нагрева аморфного бора, помещенного в реакционный стакан, в смеси метана с аргоном. Реакция СВС начиналась при температуре 400°С, процесс инициировался пропусканием тока через вольфрамовую спираль (Кукетаев Т.А., Ким Л.М., Тулегулов А.Д., Балтабеков А.С., Тагаева Б.С. Электронно-лучевое борирование конструкционных сталей ультрадисперсными порошками. www.ntsr.info/upload/My/nauka/borstal.doc).

Однако указанный способ имеет следующие недостатки. Использование в качестве источника углерода горючего газа (метана) может при разгерметизации реактора привести к образованию взрывоопасной метано-воздушной смеси. Кроме того, получить данным процессом чистый, без примесей, карбид бора затруднительно. При преждевременном прекращении подачи газовой смеси процесс пройдет не до конца, и в продуктах реакции будет присутствовать непрореагировавший бор. Если газовая смесь будет подаваться после полного завершения реакции, то образовавшийся карбид бора будет загрязнен продуктом разложения метана - сажей.

Кроме того, известен способ получения карбида бора (Макаренко Г.Н., Марек Э.В. Твердые материалы на основе карбида бора. В сб.: Высокотемпературные карбиды. Киев: Наукова думка, 1975, с.165-169), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и заключающийся в нагреве смеси аморфного бора с высокодисперсным углеродным материалом (ламповой сажей) при температуре 1900°С в течение 3 часов. Состав исходной шихты в тексте прототипа не приводится, однако известно, что карбид бора имеет область гомогенности от 17,6 - до 29,5% масс. С. (Косолапова Т.Я. Карбиды. М.: Металлургия, 1968, с.188-190).

Однако указанный способ имеет недостаток. Это значительные энергозатраты, связанные с проведением процесса при высокой температуре и длительностью проведения процесса.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение энергозатрат при получении карбида бора.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе получения карбида бора, заключающемся в нагреве шихты из смеси аморфного бора и высокодисперсного углеродного материала, процесс проводят при температуре 1700…1800°C в течение 15…20 минут при составе шихты, входящем в интервал области гомогенности карбида бора.

В способе получения карбида бора может быть использован высокодисперсный углеродный материал - нановолокнистый углерод.

Способ осуществляется следующим образом. Порошки аморфного бора и высокодисперсного углеродного материала (нановолокнистого углерода) взвешиваются так, что содержание высокодисперсного углеродного материала в навеске составляет 17,6-29,5% масс. (масса навески находится в пределах 30…50 граммов), после чего смесь просеивается через сито с размером ячейки 100 мкм. При просеивании происходит хорошее перемешивание бора с высокодисперсным углеродным материалом. 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 1,8 г/см³ масса ее примерно равна 19 граммам. Тигель из стеклоуглерода закрывается графитовой крышкой и помещается в кварцевый реактор, который в свою очередь вставляется в индуктор индукционной печи. Для предотвращения азотирования бора (наряду с карбидом бора будет образовываться нитрид бора, что нежелательно) кварцевый реактор продувается аргоном. Потерь при синтезе практически не происходит, т.е.

масса полученного карбида бора равна массе шихты. Один цикл синтеза состоит из следующих операций:

- нагрев реактора до заданной температуры (1700…1800°C) - 5 минут;

- синтез при температуре 1700… 1800°C - 15…20 минут;

- охлаждение реактора - 15 минут.

Температура в реакторе контролируется оптическим пирометром. После остывания реактора прекращается подача аргона, из реактора извлекается тигель, из тигля высыпается продукт реакции (порошок карбида бора). Далее цикл синтеза повторяется.

При температурах ниже 1700°C карбид бора не образуется, о чем свидетельствует отсутствие его рефлексов на дифрактограммах. При температурах, незначительно превышающих 1800°C, имеют место непроизводительные энергозатраты. При температурах, значительно превышающих 1800°C (выше 2200°C), карбид бора плавится, бор испаряется и после остывания карбид бора содержит нежелательную примесь - свободный углерод. При времени процесса менее 15 минут карбид бора не образуется, о чем свидетельствует отсутствие его рефлексов на дифрактограммах. При времени процесса более 20 минут имеют место непроизводительные энергозатраты. При содержании высокодисперсного углеродного материала в шихте более 29,5% масс. в продуктах реакции появляется примесь свободного углерода, что может быть зафиксировано термогравиметрическим анализом. При содержании высокодисперсного углеродного материала в шихте менее 17,6% масс. в продуктах реакций отсутствует карбид бора, что может быть зафиксировано рентгенофазовым анализом (отсутствие рефлексов карбида бора на дифрактограммах).

Примеры реализации изобретения.

Пример 1. Порошки аморфного бора и высокодисперсного углеродного материала (нановолокнистого углерода), взятые при содержании высокодисперсного углеродного материала 20% масс. (40 граммов бора и 10 граммов 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 1750°C, время выдержки при этой температуре 17 минут. Рентгенофазовым анализом установлено наличие в продуктах реакции только одной фазы - карбида бора. Термогравиметрический анализ показал отсутствие в образце свободного углерода. Следовательно, в нем отсутствует и свободный бор. Расчетный состав карбида бора В_4,45С.

Пример 2. Порошки аморфного бора и высокодисперсного углеродного материала (нановолокнистого углерода), взятые при содержании высокодисперсного углеродного материала 29,5% масс. (35,25 граммов бора и 14,75 граммов нановолокнистого углерода), совместно просеиваются через сито с размером ячеи 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 1800°C, время выдержки при этой температуре 20 минут. Рентгенофазовым анализом установлено наличие в продуктах реакции только одной фазы - карбида бора. Термогравиметрический анализ показал отсутствие в образце свободного углерода. Следовательно, в нем отсутствует и свободный бор. Расчетный состав карбида бора В₄С.

Пример 3. Порошки аморфного бора и высокодисперсного углеродного материала (нановолокнистого углерода), взятые при содержании высокодисперсного углеродного материала 17,6% масс. (41,2 грамма бора и 8,8 граммов нановолокнистого углерода), совместно просеиваются через сито с размером ячеи 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 1700°C, время выдержки при этой температуре 15 минут. Рентгенофазовым анализом установлено наличие в продуктах реакции только одной фазы - карбида бора. Термогравиметрический анализ показал отсутствие в образце свободного углерода. Следовательно, в нем отсутствует и свободный бор. Расчетный состав карбида бора B_6,5C.

Пример 4. Порошки аморфного бора и высокодисперсного углеродного материала (нановолокнистого углерода), взятые при содержании высокодисперсного углеродного материала 14,3% масс. (30 граммов бора и 5 граммов нановолокнистого углерода), совместно просеиваются через сито с размером ячеи 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 1600°C, время выдержки при этой температуре 10 минут. Рентгенофазовым анализом установлено отсутствие в продуктах реакции карбида бора.

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано при финишной металлообработке, для производства керамической брони, при износостойкой наплавке. Шихту из смеси аморфного бора и высокодисперсного углеродного материала нагревают до 1700-1800°C в течение 15-20 минут. В качестве высокодисперсного углеродного материала используют нановолокнистый углерод. Изобретение позволяет снизить энергозатраты и предотвратить возможность появления примеси свободного углерода. 4 пр.

Способ получения карбида бора, состоящий в нагреве шихты из смеси аморфного бора и высокодисперсного углеродного материала, отличающийся тем, что нагрев осуществляют при температуре 1700…1800°C и времени 15…20 минут, а в качестве высокодисперсного углеродного материала используют нановолокнистый углерод.