Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИБОРИДА ЦИРКОНИЯ

Предлагаемое изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к синтезу диборида циркония, и может быть использовано для изготовления чехлов высокотемпературных термопар, нагревателей высокотемпературных электропечей сопротивления, испарителей и лодочек для вакуумной металлизации, тиглей для прецизионной металлургии, труб для перекачивания расплавленных металлов.

Известен способ получения диборида циркония взаимодействием порошков двуокиси циркония, борного ангидрида и сажи при температуре 2000°C и времени выдержки 60…240 минут в среде водорода или конвертированного газа (Карасев А.И. Исследование условий получения технического диборида циркония углетермическим восстановлением смесей окислов циркония и бора. Порошковая металлургия, 1973, №11, с.80-84).

Однако указанный способ имеет следующие недостатки. Борный ангидрид перед использованием необходимо размалывать в шаровой мельнице в течение 15 часов, что усложняет процесс. Также это значительные энергозатраты, связанные с проведением процесса при высокой температуре и длительностью его проведения.

Кроме того, известен способ получения диборида циркония (Карасев А.И. Получение порошков технических боридов титана, циркония, хрома и вольфрама борокарбидным методом. Порошковая металлургия, 1973, №10, с.1-5), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и заключающийся в нагреве смеси двуокиси циркония, карбида бора по ГОСТ 5744 и сажи (высокодисперсного углеродного материала) марки ПМ-50 по ГОСТ 7885 при температуре 1900°C в течение 120 минут. Согласно ГОСТ 5744 карбид бора выпускается зернистостями: 16; 12; 10; 8; 5; 4; М40; М28; М20; М14; М10; М7; М5 по ГОСТ 3647. Следовательно, в прототипе использовался порошок карбида бора с размером частиц от 3 до 200 микрон. Сажа марки ПМ-50 в настоящее время не выпускается. Однако известно, что ее удельная поверхность находилась на уровне 50 м²/г (ГОСТ 7885-68).

Однако указанный способ имеет недостаток. Это значительные энергозатраты, связанные с проведением процесса при высокой температуре, длительностью его проведения и обусловленные сравнительно большим размером частиц карбида бора и сравнительно невысоким значением удельной поверхности сажи (высокодисперсного углеродного материала).

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение энергозатрат при получении диборида циркония.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе получения диборида циркония, заключающемся в нагреве шихты из смеси двуокиси циркония, карбида бора и высокодисперсного углеродного материала, процесс проводят при температуре 1600…1700°C в течение 25…30 минут, при этом частицы карбида бора имеют размер не более 1 микрона, удельная поверхность высокодисперсного углеродного материала составляет 138…160 м²/г, а в качестве высокодисперсного углеродного материала используют нановолокнистый углерод.

Способ осуществляется следующим образом. Порошки двуокиси циркония, карбида бора с размером частиц не более 1 микрона и высокодисперсного углеродного материала (нановолокнистого углерода) с удельной поверхностью 138…160 м²/г просеиваются через сито с размером ячейки 100 мкм. При просеивании происходит перемешивание компонентов шихты. Далее смесь загружается в тигель из стеклоуглерода внутренним диаметром 15 мм и высотой внутреннего пространства 60 мм. Тогда внутренний объем тигля 10,603 см³. При плотности шихты 4,8 г/см³ масса ее примерно равна 35 граммам. Тигель из стеклоуглерода закрывается графитовой крышкой и помещается в кварцевый реактор, который в свою очередь вставляется в индуктор индукционной печи. Для предотвращения азотирования карбида бора кварцевый реактор продувается аргоном. Нагрев шихты производят при температуре 1600…1700°C в течение 25…30 минут.

Температура в реакторе контролируется оптическим пирометром. После остывания реактора прекращается подача аргона, из реактора извлекается тигель, из тигля высыпается продукт реакции (порошок диборида циркония).

Использование в составе шихты более дисперсных, чем в прототипе, карбида бора и высокодисперсного углеродного материала (нановолокнистого углерода) позволяет снизить параметры процесса синтеза диборида циркония (температуру и время процесса) и тем самым уменьшить энергозатраты.

При температурах ниже 1600°C диборид циркония не образуется, о чем свидетельствует отсутствие его рефлексов на дифрактограммах. При температурах, превышающих 1700°C, имеют место непроизводительные энергозатраты. При времени процесса менее 25 минут диборид циркония не образуется, о чем свидетельствует отсутствие его рефлексов на дифрактограммах. При времени процесса более 30 минут имеют место непроизводительные энергозатраты. При использовании карбида бора с размером частиц более 1 микрона времени 25…30 минут при температуре 1600…1700°C оказывается недостаточно для полного завершения процесса образования диборида циркония, о чем свидетельствует наличие на дифрактограммах рефлексов исходных реагентов - двуокиси циркония и карбида бора. При уменьшении величины удельной поверхности порошка нановолокнистого углерода ниже 138 м²/г времени 25…30 минут и температуры 1600…1700°C оказывается недостаточно для полного завершения процесса образования диборида циркония, о чем свидетельствует наличие на дифрактограммах рефлексов исходных реагентов - двуокиси циркония и карбида бора. Увеличение значения удельной поверхности порошка нановолокнистого углерода выше 160 м²/г невозможно при любом времени измельчения.

Таким образом, при использовании карбида бора с размером частиц более 1 микрона и нановолокнистого углерода с удельной поверхностью ниже 138 м²/г при температуре процесса 1600…1700°C и времени процесса 25…30 минут получение диборида циркония невозможно, то есть поставленная задача не достигается.

Пример реализации способа.

Порошки двуокиси циркония, карбида бора со средним размером частиц 0,9 микрон и нановолокнистого углерода с удельной поверхностью 148 м²/г 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 1650°C, время выдержки при этой температуре 27 минут. Рентгенофазовым анализом установлено наличие в продуктах реакции (термообработанной шихте) только одной фазы - диборида циркония.