Способ получения компактных материалов, содержащих диборид титана, методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза Российский патент 2018 года по МПК C22C29/14 B22F3/23 

Способ получения компактных материалов, содержащих диборид титана, методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза

Изобретение относится к металлургии, а именно к способам получения неорганических материалов, в том числе содержащих диборид титана, методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.

Из уровня техники известен способ получения тугоплавких неорганических материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, включающий приготовление реакционных смесей, их прессование и инициирование синтеза (Левашов Е.А., Рогачев А.С., Юхвид В.И., Боровинская И.П. Физико-химические и технологические основы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. М.: «Издательство БИНОМ», 1999 г. - 176 с.). Для получения компактных материалов данные способы включают наложение внешнего воздействия на реакционные смеси в ходе синтеза (газостатическое прессование, гидравлическое прессование и др.), что влечет применение дополнительного оборудования, усложнение процесса и снижает применимость способа.

Из уровня техники известен способ получения сплава, включающий раздельное приготовление двух или более различных по составу и прочности оксидов металлов смесей с восстановителем и неметаллом, локальное воспламенение одной из смесей с последующим воспламенением образовавшимся расплавом других смесей под давлением газообразной среды до образования сплава необходимого состава (Патент РФ №2469816, МПК B22F 3/23, 20.12.2012). Недостатком данного способа является трудность контролирования протекающих реакций самораспространяющегося высокотемпературного синтеза каждой из последовательно воспламеняемых расплавом смесей, что приводит к сложности получения сплава заданного состава, применение специальных реакторов для осуществления процесса синтеза под давлением газообразной среды.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения материалов, содержащих диборид титана методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, включающий приготовление реакционной смеси из порошка ферротитана с содержанием титана 65,79%, 73,69% и порошка ферробора с содержанием бора 14,88%, компактирование и инициирование синтеза (US 4673550 А, B22F 1/00, 15.06.1987). Недостатком известного способа является применение ограниченного количества составов системы ферротитан - ферробор за счет использования в качестве исходных реагентов ферротитана (65,79%, 73,69% Ti) и ферробора (14,88% В), что не позволяет в полной мере обеспечить формирование свойств получаемого материала (состав, структура, плотность, твердость, прочностные характеристики) и получить достаточно прочные скомпактированные порошкообразные составы.

Все это снижает универсальность известного способа.

Предлагаемый способ является более универсальным по отношению к прототипу.

Повышение универсальности способа выражается в том, что он позволяет получать, с одной стороны, компактные материалы, содержащие диборид титана, методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с формированием требуемого комплекса характеристик (содержание боридных составляющих титана и железа, прочностные свойства, твердость, износостойкость, структура, плотность) за счет применения в качестве исходных реагентов ферротитана и ферробора различных марок с выполнением соотношения массы ферротитана к массе ферробора от 0,1 до 0,8, с другой - обеспечить повышенную прочность скомпактированных составов за счет введения в реакционную смесь клеевого связующего.

Способ осуществляется следующим образом.

Реакционную смесь, состоящую из порошкообразных ферротитана, с содержанием титана не менее 60%, и ферробора с содержанием бора не менее 6%, взятых в отношении массы ферротитана к массе ферробора от 0,1 до 0,8, компактируют любым доступным способом (гидравлическое прессование, изостатическое прессование, компактирование при помощи шнека и др.), после чего инициируют протекание самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Для улучшения компактирования способ предусматривает добавление к порошкообразной реакционной смеси клеевого связующего в количестве, не превышающем 40% от массы сухой смеси. Добавление клеевого связующего в количестве, превышающем 40% от массы сухой смеси, приводит к значительному газовыделению в ходе синтеза и, как следствие, к появлению трещин и пор в материале.

Инициирование реакции СВС осуществляют различными способами, в зависимости от технического оснащения - путем объемного нагрева смеси в индукционных печах, либо печах сопротивления, путем локального нагрева искровым, дуговым либо плазменным разрядом и др. Применение ферросплавов позволяет получать компактные материалы, содержащие диборид титана методом СВС без приложения внешних воздействий на систему в ходе синтеза, поскольку железо, входящее в состав ферросплавов, служит связкой и препятствует развитию усадочных процессов и возникновению трещин. Применение ферротитана с содержанием титана менее 60% не позволяет инициировать реакцию СВС в реакционной смеси. Применение ферробора с содержанием бора менее 6% затрудняет начало синтеза между компонентами реакционной смеси; недостаток бора приводит к получению материала, содержание диборида титана в котором минимально, что снижает его твердость и ухудшает свойства. Реакционная смесь с отношением массы ферротитана к массе ферробора, равным 0,1, позволяет применять для получения компактных материалов ферротитан с содержанием титана более 60% и ферробор с содержанием бора 6%. В данной системе титан, взаимодействуя с бором, образует диборид титана (TiB₂), а его избыток, взаимодействуя с железом (компонентом ферросплавов), образует интерметаллид FeTi. Реакционная смесь с отношением массы ферротитана к массе ферробора, равным 0,8, позволяет применять для получения компактных материалов ферротитан с содержанием титана 60% и ферробор с содержанием бора 20%. Данная система оказывается более обогащенной диборидом титана за счет значительного содержания бора в реакционной смеси. Варьирование отношения массы ферротитана к массе ферробора от 0,1 до 0,8 позволяет получать компактные материалы методом СВС с различным содержанием диборида титана. Для улучшения условий протекания синтеза в реакционной системе, способ допускает применение порошкообразных ферросплавов с крупностью частиц не более 1 мм. Применение порошкообразных материалов с размером частиц более 1 мм значительно ухудшает протекание синтеза.

Для получения компактных материалов, содержащих диборид титана с минимальной пористостью, и расширения области применения за счет формирования других структурных составляющих, способ предусматривает добавление к реакционной смеси, наряду с клеевым связующим, порошкообразных легирующих добавок в количестве до 80% от массы реакционной смеси. Применение в качестве легирующих добавок порошкообразных никеля или меди позволяют повысить пластичность материала; добавление хрома и феррохрома - формировать, наряду с диборидом титана, бориды хрома.

Готовую реакционную смесь компактируют и инициируют реакцию СВС. После протекания синтеза образуется компактный материал, содержащий диборид титана.

Пример конкретного исполнения

Реакционную смесь, содержащую 70% ферротитана и 17% ферробора, взятых в отношении массы ферротитана к массе ферробора равным 0,52, компактировали в пресс-форме на гидравлическом прессе в цилиндры диаметром 20 мм и высотой 10 мм. Для улучшения компактирования и предохранения от разрушения спрессованной порошкообразной реакционной смеси, в нее до компактирования дополнительно ввели клеевое связующее - раствор жидкого стекла в количестве 10% от массы сухой реакционной смеси. После компактирования спрессованный материал, содержащий клеевое связующее, предварительно прогрели в печи при температуре 300°C, после чего инициировали синтез путем объемного нагрева. Полученный в ходе синтеза компактный материал (цилиндры диаметром 20 мм и высотой 10 мм) имел незначительную пористость и содержал диброид титана (TiB₂), бориды железа (Fe₂B, FeB) и незначительное количество интерметаллида FeTi. За счет образования боридных составляющих материал обладал значительной твердостью - 897÷1163 HV_0,05 (67÷71 HRC).

Группа изобретений относится к получению компактных материалов, содержащих диборид титана, с использованием самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Способ по варианту 1 включает приготовление реакционной смеси из порошкообразных ферробора и ферротитана, компактирование реакционной смеси и инициирование СВС. Используют ферротитан с содержанием титана не менее 60 мас.% и ферробор с содержанием бора не менее 6 мас.%, при этом реакционную смесь готовят с отношением массы ферротитана к массе ферробора от 0,1 до 0,8 и добавляют к реакционной смеси клеевое связующее в количестве, не превышающем 40 мас.% от массы реакционной смеси. В способе по варианту 2 к реакционной смеси добавляют легирующие добавки в количестве до 80 мас.% от массы реакционной смеси и клеевое связующее в количестве, не превышающем 40 мас.% от массы реакционной смеси. Обеспечивается получение компактных материалов, содержащих диборид титана, без применения специальных реакторов и приложения внешних воздействий на реакционную смесь в ходе синтеза. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 пр.

1. Способ получения компактных материалов, содержащих диборид титана, методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), включающий приготовление реакционной смеси из порошкообразных ферробора и ферротитана, компактирование реакционной смеси и инициирование СВС, отличающийся тем, что используют ферротитан с содержанием титана не менее 60 мас.% и ферробор с содержанием бора не менее 6 мас.%, при этом реакционную смесь готовят с отношением массы ферротитана к массе ферробора от 0,1 до 0,8 и добавляют к реакционной смеси клеевое связующее в количестве, не превышающем 40 мас.% от массы реакционной смеси.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что крупность порошкообразных компонентов реакционной смеси не превышает 1 мм.

3. Способ получения компактных материалов, содержащих диборид титана, методом СВС, включающий приготовление реакционной смеси из порошкообразных ферробора и ферротитана, добавление к реакционной смеси порошкообразных легирующих добавок, компактирование полученной смеси и инициирование СВС, отличающийся тем, что используют ферротитан с содержанием титана не менее 60 мас.% и ферробор с содержанием бора не менее 6 мас.%, при этом реакционную смесь готовят с отношением массы ферротитана к массе ферробора от 0,1 до 0,8, добавляют к реакционной смеси легирующие добавки в количестве до 80 мас.% от массы реакционной смеси и клеевое связующее в количестве, не превышающем 40 мас.% от массы реакционной смеси.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что крупность компонентов реакционной смеси и легирующих добавок не превышает 1 мм.