СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИБОРИДА ВАНАДИЯ Российский патент 2017 года по МПК C01B35/04 C01G31/00 

Предлагаемое изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к синтезу диборида ванадия, и может быть использовано для изготовления диффузионных износостойких покрытий на сталях, электролита воздушно-расплавных аккумуляторов.

Известен способ получения диборида ванадия VB₂ взаимодействием металлических ванадия и бора в присутствии алюминия при температуре 1550°C в среде инертного газа в течение 24 часов с последующим охлаждением и дальнейшей обработкой продуктов реакции кислотой, например соляной (заявка JP 55051797 А, кл. С01В 35/04, 1980).

Однако указанный способ имеет следующие недостатки. Это применение при синтезе диборида ванадия дорогого металлического ванадия, длительность процесса синтеза и необходимость обработки продуктов реакции кислотой, например соляной.

Кроме того, известен способ получения диборида ванадия (Крутский Ю.Л. и др. Синтез тонкодисперсных порошков карбида и борида ванадия и исследование их характеристик. Молодежный научный форум: технические и математические науки, Электронный сборник статей по материалам IV студенческой международной заочной научно-практической конференции, октябрь 2013 г., №4, с. 45-50), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и заключающийся в проведении процесса синтеза диборида ванадия путем нагрева в газовой среде из аргона в углеродном тигле смеси оксида ванадия V₂O₃, карбида бора и нановолокнистого углерода, приготовленной по стехиометрии на получение диборида ванадия в соответствии с реакцией V₂O₃+В₄С+2С=2VB₂+3СО, при температуре 1500°C в течение 30 минут.

Однако указанный способ имеет недостаток. Это необходимость подачи в реакционное пространство печи дорогостоящего инертного газа (аргона), что усложняет процесс и приводит к увеличению стоимости диборида ванадия.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является упрощение процесса и снижение стоимости диборида ванадия.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе получения диборида ванадия, заключающемся в нагреве в газовой среде в углеродном тигле смеси оксида ванадия V₂O₃, карбида бора и нановолокнистого углерода, приготовленной по стехиометрии на получение диборида ванадия в соответствии с реакцией V₂O₃+В₄С+2С=2VB₂+3СО, процесс ведут при температуре 1300-1500°C в течение 20-30 минут в газовой среде из оксида углерода (II) и азота, образующейся при окислении углерода тигля кислородом воздуха, в объемном отношении СО:N₂=99,96:0,04.

Способ осуществляется следующим образом. Навески порошков оксида ванадия V₂O₃, карбида бора и нановолокнистого углерода берутся в мольном отношении V₂O₃:В₄С:С=1:1:2, то есть по стехиометрии на получение диборида ванадия в соответствии с реакцией:

V₂O₃+B₄C+2C=2VB₂+3СО

Далее смесь просеивается через сито с размером ячейки 100 мкм. При просеивании происходит перемешивание компонентов смеси. Затем смесь загружается в тигель из углерода внутренним диаметром 25 мм и высотой внутреннего пространства 60 мм. Тогда внутренний объем тигля из углерода 29,452 см³. При плотности смеси 2,8 г/см³ масса ее примерно равна 82 граммам. Тигель из углерода закрывается графитовой крышкой и помещается в кварцевый реактор, который в свою очередь вставляется в индуктор индукционной печи. Нагрев смеси производят при температуре 1300-1500°C в течение 20-30 минут в газовой среде из оксида углерода (II) и азота, образующейся при окислении углерода тигля кислородом воздуха, в объемном отношении СО:N₂=99,96:0,04.

При подаче электроэнергии на индуктор печи во внутреннем пространстве тигля из углерода происходит следующее. Поскольку в кварцевый реактор не подается защитный инертный газ (аргон), в нем первоначально находится воздух при атмосферном давлении. От индуктора энергия передается тиглю из углерода, а от него - шихте. Естественно, кислородом воздуха первоначально окисляется углерод нагревающегося тигля. Поэтому в кварцевом реакторе и во внутреннем пространстве тигля из углерода при температурах процесса (1300-1500°C) образуется газовая смесь из оставшегося азота и получившегося оксида углерода (II). Дополнительно при протекании реакции образования диборида ванадия из 82 граммов шихты выделяется примерно 30 граммов (или примерно 24000 см³) оксида углерода (II), что многократно (в предположении того, что свободный объем тигля из углерода составляет 40%) превышает объем тигля из углерода (примерно в 2000 раз). Таким образом, образующийся оксид углерода (II) довольно быстро вытесняет азот воздуха из внутреннего пространства тигля через неплотности между углеродным тиглем и крышкой. В результате содержание азота в газовой смеси уменьшается примерно в 2000 раз (с 80% об. до приблизительно 0,04% об.). Следовательно, газовая среда в углеродном тигле в ходе реакции образования диборида ванадия содержит азот в очень незначительных количествах, что предотвращает нежелательный процесс образования нитридов ванадия V₃N и VN. Температура в реакторе контролируется оптическим пирометром. После остывания реактора из него извлекается тигель из углерода, из тигля высыпается продукт реакции (порошок диборида ванадия).

При температурах ниже 1300°C диборид ванадия не образуется, о чем свидетельствует отсутствие его рефлексов на дифрактограммах. При температурах, превышающих 1500°C, имеют место ненужные энергозатраты. При времени процесса менее 20 минут диборид ванадия не образуется, о чем свидетельствует отсутствие его рефлексов на дифрактограммах. При времени процесса более 30 минут имеют место ненужные энергозатраты.

Пример реализации изобретения

Порошки оксида ванадия V₂O₃, карбида бора и нановолокнистого углерода, взятые в мольном отношении V₂O₃:В₄С:С=1:1:2, совместно просеиваются через сито с размером ячейки 100 мкм. Таким образом, размер частиц всех реагентов не превышает 100 мкм. Далее готовая смесь засыпается в тигель из углерода. Тигель из углерода закрывается графитовой крышкой и помещается в кварцевый реактор, который в свою очередь вставляется в индуктор индукционной печи. Температура процесса 1400°C, время выдержки при этой температуре 22 минуты. Рентгенофазовым анализом установлено наличие в продуктах реакции (термообработанной смеси) только одной фазы - диборида ванадия.

Упрощение процесса получения диборида ванадия и снижение его стоимости достигается за счет проведения процесса в газовой среде из оксида углерода (II) и азота, образующейся при окислении углерода тигля кислородом воздуха, в объемном отношении СО:N₂=99,96:0,04 без использования аргона, который является дорогостоящим и который обеспечивает создание специальной защитной газовой среды.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет упростить процесс и снизить стоимость диборида ванадия.

Изобретение может быть использовано для изготовления диффузионных износостойких покрытий на сталях, электролитов аккумуляторов. Способ получения диборида ванадия включает нагрев в газовой среде в углеродном тигле смеси оксида ванадия V₂O₃, карбида бора и нановолокнистого углерода. Указанную смесь готовят в соответствии со стехиометрией на получение диборида ванадия по реакции V₂O₃+В₄С+2С=2VB₂+3СО. Нагрев проводят при температуре 1300-1500°C в течение 20-30 минут. Газовая среда включает оксид углерода(II) и азот и образуется при окислении углерода тигля кислородом воздуха. Объемное отношение СО:N₂ равно 99,96:0,04. Изобретение позволяет упростить получение диборида ванадия за счет исключения использования аргона в качестве газовой среды. 1 пр.

Способ получения диборида ванадия, состоящий в нагреве в газовой среде в углеродном тигле смеси оксида ванадия V₂O₃, карбида бора и нановолокнистого углерода, приготовленной по стехиометрии на получение диборида ванадия в соответствии с реакцией V₂O₃+В₄С+2С=2VB₂+3СО, при температуре 1300-1500°C в течение 20-30 минут, отличающийся тем, что процесс ведут в газовой среде из оксида углерода(II) и азота, образующейся при окислении углерода тигля кислородом воздуха, при объемном отношении СО:N₂=99,96:0,04.