СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАРБИДА БОРА

В основном авторском свидетельстве №50979 описан способ получения карбида бора взаимодействием борного ангидрида с углем при высокой температуре. Борный ангидрид загружают для проведения процесса отдельным слоем, на котором располагают слой угля, сохраняя температуру ниже температуры плавления образующегося карбида бора (примерно 1500-2000°).

Настоящее изобретение видоизменяет способ, описанный в авторском свидетельстве №50979, имея целью получить из борного ангидрида и угля куски карбида бора требуемой формы.

При этом процесс ведется в две стадии следующим образом:

I-я стадия процесса.

В нагреваемую до температуры 1500-2000° толстостенную угольную трубу, дно которой герметизировано угольной пробкой, загружают борный ангидрид. После этого на верхний конец угольной трубы кладут толстый слой асбеста и уплотняют его с помощью фланца. Благодаря этому образующиеся пары борного ангидрида вынуждены проходить через поры угольной трубы и реагировать с ней, целиком превращая ее в карбид бора. Готовый продукт состоит из отдельных мелких кристаллов, слабо сцементированных между собой. Выделяющаяся в результате реакции окись углерода отводится сбоку печи и сгорает синим пламенем (без примеси зеленого оттенка), что свидетельствует о полноте проведения реакции и отсутствии потерь борного ангидрида. Конец реакции определяется по прекращению выделения из печи окиси углерода и по появляющейся в конце процесса зеленой окраске пламени. После этого ток выключают и дают трубе остыть в печи или продвигают ее в холодильник.

В случае, если труба почему-либо целиком не превратилась в карбид бора, то образовавшийся слой карбида бора имеет резкую границу и может быть легко отделен механическим путем от слоя угля. Попутно можно обрабатывать парами борного ангидрида фасонные изделия из угля, расположив их в трубе.

Опыт показал, что проведение 1-й стадии процесса с угольной трубой размера 75×90×600 мм занимает 4-6 часов.

2-я стадия процесса.

Из полученных таким образом слабо сцементированных кусков карбида бора вырезают куски требуемой формы, после чего последние подвергают процессу спекания при температуре плавления структурных составляющих этих кусков. По другому варианту эти куски подвергают длительному выдерживанию в печи при температуре, близкой к температуре плавления структурных составляющих. При этом происходит рост отдельных кристаллов за счет процесса перекристаллизации и связанного с ним процесса спекания.

Проведение 2-й стадии процесса спекания по 1-му варианту.

Куски нужной формы, вырезанные из препарата, полученного в 1-й стадии описанного выше процесса, помещают в печь и в отсутствии контакта с углеродом, в атмосфере инертного газа, постепенно нагревают до температуры плавления отдельных мелких кристаллов, составляющих подвергаемое спеканию изделие. Для этой же цели могут быть использованы изделия из спресованных со связкой, применяемой в производстве, твердых сплавов мелкокристаллического карбида бора соответственной формы.

Так как в первую очередь плавятся более мелкие кристаллы, то образуется жидкая фаза, которая по охлаждении сцементирует более крупные кристаллы. Наблюдая при этом за поведением спекаемого изделия, можно видеть, как оплавляются острые углы изделия и самое изделие дает усадку. В этот момент изделие, помещенное на лодочке или в тигле, быстро продвигают в холодильник с тем, чтобы создать быстрое охлаждение (т.е. условие максимального пересыщения, благоприятствующее появлению максимума центров кристаллизации). Получается плотная мелкокристаллическая структура, обладающая большой механической прочностью.

Практически это осуществлялось авторами в печи Таммана. Для избежания контакта с углеродом на дно и края угольной лодочки насыпали слой металлического вольфрама и сверху покрывали слоем нитрида бора. На слой нитрида бора укладывали пластины карбида бора, вырезанные из трубы, полученной в 1-й стадии процесса, и лодочка продвигалась в горизонтальную нагретую до 2000° трубчатую печь, сквозь которую пропускался с противоположной стороны водород. Через 8-10 минут, когда изделие приобретало температуру печи, поднимали температуру в печи, наблюдая за поведением изделия. Как только начинают оплавляться острые края изделия, и последнее даст усадку, на что требуется 4-5 минут, лодочку из печи перемещают в расположенный за нагреваемой трубой холодильник, в котором она охлаждается до исчезнования темнокрасного каления (так как в противном случае даже при слабокрасном калении изделие окисляется на воздухе и теряет свою механическую прочность). Таким образом получаются пластины карбида бора, имеющие в изломе весьма плотную структуру.

Куски такого карбида бора, вправленные в ручку, прекрасно режут стекло, давая колющий разрез, хорошо правят карборундовый круг и шлифуются на алмазном круге.

Проведение 2-й стадии процесса по 2-му варианту.

Куски требуемой формы, вырезанные из препарата, полученного в 1-й стадии процесса, помещают в лодочке на подкладку, не содержащую углерода, как например, металлический вольфрам, нитрид бора и др. Лодочку вдвигают в печь и выдерживают там в атмосфере инертного газа при температуре свыше 2000°, близкой к температуре плавления карбида бора. Уже после 2-часовой выдержки изделие приобретает некоторую механическую прочность, металлический звон, причем кристаллы, из которых состоят эти куски, заметно увеличиваются в своем размере. Возможно, что при тщательно подобранных условиях и длительном выдерживании при высокой температуре структура приобретет монокристаллический характер.

Однако, в смысле быстроты проведения процесса, он сильно уступает 1-му варианту.

Может быть применен также вариант, заключающийся в плавлении получаемого в 1-й стадии процесса препарата, в условиях отсутствия контакта с углеродом. Вариант этот может быть проведен путем плавления образца в атмосфере инертного газа, например, в тигле из нитрида бора в атмосфере азота.

Для проведения 2-й стадии процесса авторами были испытаны печь Таммана с подкладкой из металлического вольфрама и нитрида бора, вольтова дуга и высокочастотная печь. Несомненно, для этой цели может быть использован и ток короткого замыкания и пламя атомно-водородной горелки и любое другое нагревательное устройство (печь с катодным излучением и т.д.). 2 я стадия процесса может быть проведена как в условиях свободного плавления, так и процессом спекания.

Основными условиями проведения этого процесса являются: 1) отсутствие контакта с углеродом или другими реагирующими с карбидом бора веществами и 2) проведение этого процесса в инертной газовой среде.

Область возможного применения получаемых препаратов карбида бора в виде кусков очень широка, а именно: для правки карборундовых кругов, для резки стекла, для процессов выемки в корундовых камнях, для наконечников к точным измерительным приборам, для фильер, для протяжки проволоки, для фильер в текстильном производстве (вследствие кислото- и щелочеупорности карбида бора в широких пределах), для сопел к аппаратам абразивного дутья, для резцов, обрабатывающих стекло, фарфор, кварц, различные минералы и искусственные массы, для заправки в коронки при процессах вращательного бурения на некоторых породах и т.д.