СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАРБОНИТРИДА ЦИРКОНИЯ ZrCN кубической системы Российский патент 2021 года по МПК C01G25/00 C22C1/02 C22C16/00 

Изобретение относится к технологии из области получения тугоплавких соединений, которые могут быть использованы для получения керамики высокой твердости, а также защитных покрытий, стойких к термоокислению, в химической, металлургической, авиационной промышленности и например в производстве углерод-углеродных, углерод-карбидокремниевых материалов, а также изделий из жаропрочных металлов и сплавов (напр. молибден, вольфрам, рений).

Известен способ получения карбонитрида циркония с использованием металлического магния в качестве восстановителя из диоксида циркония при температуре 1000…1200°С (Майорова Е.С., Шишкин Р.А. Низкотемпературный синтез карбонитрида циркония / Технические науки - от теории к практике. Сборник статей по материалам XXXI международной научно-практической конференции. №2 (27). - Новосибирск: СибАК, 2014). Способ включает в себя реакцию двуокиси циркония с карбонатом натрия, используемым в качестве источника углерода. В результате реакции образуется карбонитрид циркония по следующей схеме:

4ZrO₂ + 14Mg + 2Na₂CO₃ + N₂(газ) → 2ZrCN + 14MgO + 4Na↑

При этом диоксид циркония и карбонат натрия выбраны ввиду их доступности. Наличие карбонитрида циркония идентифицируют методом рентгенофазового анализа. Реакцию проводят при температуре 1200°С в течение 20 часов в автоклаве при избытке металлического магния для поглощения кислорода воздуха в присутствии карбамида в качестве источника азота.

Недостатком способа является сложное разделение продуктов реакции, требующее промывки карбонитрида разбавленной соляной кислотой с последующей обработкой чистым этиловым или изопропиловым спиртом и сушкой в вакууме. В сочетании с длительностью процесса это приводит к его усложнению и снижает выход конечного продукта, а также снижает надежность способа в целом.

Задача изобретения заключается в повышении выхода карбонитрида циркония и надежности метода его синтеза.

Эта задача решается изменением состава реакционной смеси, содержащей карбид циркония и азотирующий агент и условий проведения синтеза карбонитрида циркония.

Усовершенствование заключается в том, что в качестве азотирующего агента используют нитрид магния при следующем соотношении компонентов (масс. ч.):

карбид циркония - 100…120,

нитрид магния - 25…250.

Усовершенствование условий синтеза заключается в том, что его проводят в атмосфере аргона при температуре 1400…2100°С.

Использование карбида циркония и азотирующего агента при соблюдении вышеуказанных пропорций позволяет повысить выход карбонитрида за счет ускорения реакции синтеза.

При этом использование карбида циркония позволяет исключить дополнительную реакцию его синтеза из диоксида циркония или металлического циркония, которая сопровождается снижением выхода, что в свою очередь отрицательно влияет на выход целевого продукта - карбонитрида циркония.

Использование нитрида магния позволяет повысить скорость реакции за счет того, что последний обеспечивает выделение азота в реакционной смеси в атомарной форме (N) которая обладает значительно большей химической активностью по сравнению с молекулярной формой (N₂).

Также чистота получаемого карбонитрида циркония обеспечивается тем, что процесс азотирования сопровождается испарением высвобождающегося магния (Т_кип. - 1105°С) и сублимацией избытка нитрида магния. Данная особенность процесса позволяет многократно использовать азотирующий компонент при повторении процесса его регенерации нагревом и выдержкой в атмосфере азота при температуре 400…780°С

Проведение синтеза карбонитрида циркония в атмосфере аргона обеспечивает повышение надежности метода за счет полного исключения возможности протекания реакции термоокисления, которые в вышеуказанном интервале температур протекают очень интенсивно и приводят к полному окислению исходных компонентов. Данное обстоятельство также приводит к снижению выхода конечного продукта.

При выполнении предлагаемого способа в дисперсный карбид циркония вводят порошкообразный нитрид магния, тщательно перемешивают и растирают полученную смесь в фарфоровой ступке. Растертую смесь переносят в графитовый пироуплотненный тигель.

Помещают тигель в термохимическую установку типа «Агат-1,6». Проводят термообработку при температуре 1400…2100°С в течение 1 часа при подаче газообразного аргона особой чистоты с расходом 0,05…0,2 м³/ ч.

После охлаждения установки извлекают тигель и полученный продукт идентифицируют методом рентгенофазового анализа (РФА) и определяют его выход методом весового анализа по ОСТ 92-0903-778.

Методом РФА полученный продукт идентифицирован как карбонитрид циркония - Zr₂CN кубической системы.

Все приведенные данные подтверждены результатами, приведенными в таблице 1, где величина выхода карбонитрида представлена в отношении к теоретическому стехиометрическому выходу, являющемуся в данных условиях максимально возможным.

Изменение пропорции компонентов или температуры обработки отличающееся от рекомендованного диапазона приводит к снижению выхода карбонитрида циркония.

Способ изготовления карбонитрида циркония, благодаря использованию в качестве исходного компонента карбида циркония и азотирующего агента - нитрида магния в приведенных выше соотношениях в среде аргона при температуре 1400…2100°С характеризуется по сравнению с прототипом большим выходом конечного продукта и большей надежностью ввиду сокращения количества технологических переделов и исключения возможности протекания термоокислительных процессов, влекущих за собой нестабильность состава реакционной среды, что так же повышает его надежность и технологичность.

Изобретение относится к области получения тугоплавких соединений, конкретно к способу получения карбонитрида циркония Zr₂CN кубической системы. Способ включает азотирование карбида циркония. Процесс азотирования проводят в атмосфере аргона при температуре 1400-2100°С, а в качестве азотирующего агента используют нитрид магния при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: карбид циркония - 100-120, нитрид магния - 25-250. Предлагаемый способ позволяет повысить выход карбонитрида циркония. 1 табл.

Способ получения карбонитрида циркония Zr₂CN кубической системы, включающий в себя азотирование карбида циркония, отличающийся тем, что процесс азотирования проводят в атмосфере аргона при температуре 1400-2100°С, а в качестве азотирующего агента используют нитрид магния при соотношении компонентов, мас.ч.:

карбид циркония - 100-120 нитрид магния - 25-250.