Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАРБИДА ЦИРКОНИЯ

Предлагаемое изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к синтезу карбида циркония, и может быть использовано при изготовлении огнеупорных тиглей, элементов высокотемпературных вакуумных и газонаполненных электропечей, полирующего материала и катализатора для каталитических процессов.

Известен способ получения карбида циркония (В.Я. Науменко. Получение карбидов переходных металлов IV-V групп в областях их гомогенности. Порошковая металлургия, 1970, №10, с. 20-22), заключающийся в перемешивании шихты из порошков циркония и ацетиленовой сажи в течение 2-3 часов с последующим синтезом при давлении ниже атмосферного (1,2·10^-4 мм рт.ст.).

Однако указанный способ имеет недостатки. Это применение при синтезе карбида циркония дорогого порошкообразного циркония, длительность перемешивания шихты (2-3 часа), проведение синтеза при давлении ниже атмосферного (что усложняет процесс).

Кроме того, известен способ (Р.Г. Шумилова, Т.Я. Косолапова. Получение карбида циркония в полупромышленном масштабе. Порошковая металлургия, 1968, №4, с. 86-89), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и заключающийся в протирании через сито шихты стехиометрического состава из двуокиси циркония и углеродного материала (сажи марки ТМ-50 по ГОСТ 7885-63) с последующим нагревом в печи сопротивления с графитовой трубкой при температуре 2200°C с выдержкой при этой температуре 60 минут.

Однако указанный способ имеет недостаток. Это проведение процесса карбидообразования при сравнительно высокой температуре (2200°C) и с выдержкой при этой температуре в течение сравнительно длительного времени (60 минут), что приводит к значительным энергозатратам. Этот недостаток связан с применением сажи марки ТМ-50. Сажа марки ТМ-50 в настоящее время не выпускается. Однако известно, что ее удельная поверхность находилась на сравнительно невысоком - уровне 50 м²/г (ГОСТ 7885-63).

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение энергозатрат при получении карбида циркония.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе получения карбида циркония, заключающемся в протирании через сито шихты стехиометрического состава из двуокиси циркония и углеродного материала, нагрев шихты производят при температуре 1800…1900°C с выдержкой при этой температуре в течение 20…25 минут, при этом удельная поверхность углеродного материала составляет 138…160 м²/г, а в качестве углеродного материала используют нановолокнистый углерод.

Способ осуществляется следующим образом. Шихта стехиометрического состава готовится из навесок порошков двуокиси циркония и углеродного материала (нановолокнистого углерода), взятых в соответствии с реакцией:

ZrO₂+3С=ZrC+2СО.

Полученная шихта протирается через сито с размером ячейки 100 мкм. После этого шихта загружается в графитовый тигель внутренним диаметром 50 мм и высотой внутреннего пространства 40 мм. Тогда внутренний объем тигля 78,5 см³. Масса загружаемой в тигель шихты составляет 200…250 граммов. Тигель закрывается графитовой крышкой и помещается в печь сопротивления с графитовой трубкой. Далее включается электропитание печи. При разогреве графитовой трубки в печном пространстве происходит следующее. Поскольку в печное пространство не подается защитный газ (аргон или водород), в нем первоначально находится воздух. От разогретой графитовой трубки тепло передается стенке тигля, а от нее - шихте. Естественно, кислородом воздуха окисляется углерод более нагретой графитовой трубки. Поэтому в печном пространстве образуется газовая смесь оставшегося азота и монооксида углерода СО. Измерение температуры в печном пространстве осуществляется оптическим пирометром. Поддержание заданной температуры (1800…1900°C) в течение 20…25 минут осуществляется изменением токовой нагрузки. После проведения процесса подача электроэнергии прекращается и печь охлаждается. Затем из охлажденной печи извлекается тигель с порошкообразным продуктом реакции - карбидом циркония.

При температурах ниже 1800°C карбид циркония не образуется, о чем свидетельствует отсутствие его рефлексов на дифрактограммах. При температурах, превышающих 1900°C, имеют место непроизводительные энергозатраты. При времени процесса менее 20 минут карбид циркония не образуется, о чем свидетельствует отсутствие его рефлексов на дифрактограммах. При времени процесса более 25 минут имеют место непроизводительные энергозатраты. При уменьшении величины удельной поверхности порошка нановолокнистого углерода ниже 138 м²/г времени 20…25 минут и температуры 1800…1900°C оказывается недостаточно для полного завершения процесса образования карбида циркония, о чем свидетельствует наличие на дифрактограммах рефлексов исходного реагента - двуокиси циркония. Увеличение значения удельной поверхности порошка нановолокнистого углерода выше 160 м²/г невозможно при любом времени измельчения.

Примеры реализации изобретения

Пример 1. Порошки двуокиси циркония (184,5 грамма) и нановолокнистого углерода (54 грамма) с удельной поверхностью 144 м²/г протираются через сито с размером ячейки 100 мкм. После этого готовая шихта массой 238,5 граммов засыпается в графитовый тигель. Тигель закрывается графитовой крышкой и помещается в печь сопротивления с графитовой трубкой. Далее включается электропитание печи. Температура процесса 1850°C, время выдержки при этой температуре 22 минуты. Рентгенофазовым анализом установлено наличие в продуктах реакции (термообработанной шихте) только одной фазы - карбида циркония.

Пример 2. Порошки двуокиси циркония (184,5 грамма) и нановолокнистого углерода (54 грамма) с удельной поверхностью 116 м²/г протираются через сито с размером ячейки 100 мкм. После этого готовая шихта массой 238,5 граммов засыпается в графитовый тигель. Тигель закрывается графитовой крышкой и помещается в печь сопротивления с графитовой трубкой. Далее включается электропитание печи. Температура процесса 1870°C, время выдержки при этой температуре 23 минуты. Рентгенофазовым анализом установлено наличие в продуктах реакции (термообработанной шихте) не только карбида циркония, но и исходного реагента - оксида циркония. Следовательно, процесс образования карбида циркония полностью не завершается.

Пример 3. Порошки двуокиси циркония (184,5 грамма) и нановолокнистого углерода (54 грамма) с удельной поверхностью 150 м²/г протираются через сито с размером ячейки 100 мкм. После этого готовая шихта массой 238,5 граммов засыпается в графитовый тигель. Тигель закрывается графитовой крышкой и помещается в печь сопротивления с графитовой трубкой. Далее включается электропитание печи. Температура процесса 1820°C, время выдержки при этой температуре 24 минуты.

Рентгенофазовым анализом установлено наличие в продуктах реакции (термообработанной шихте) только одной фазы - карбида циркония.

Пример 4. Порошки двуокиси циркония (184,5 грамма) и нановолокнистого углерода (54 грамма) с удельной поверхностью 150 м²/г протираются через сито с размером ячейки 100 мкм. После этого готовая шихта массой 238,5 граммов засыпается в графитовый тигель. Тигель закрывается графитовой крышкой и помещается в печь сопротивления с графитовой трубкой. Далее включается электропитание печи. Температура процесса 1890°C, время выдержки при этой температуре 22 минуты. Рентгенофазовым анализом установлено наличие в продуктах реакции (термообработанной шихте) только одной фазы - карбида циркония.

Пример 5. Порошки двуокиси циркония (184,5 грамма) и нановолокнистого углерода (54 грамма) с удельной поверхностью 146 м²/г протираются через сито с размером ячейки 100 мкм. После этого готовая шихта массой 238,5 граммов засыпается в графитовый тигель. Тигель закрывается графитовой крышкой и помещается в печь сопротивления с графитовой трубкой. Далее включается электропитание печи. Температура процесса 1770°C, время выдержки при этой температуре 23 минуты. Рентгенофазовым анализом установлено наличие в продуктах реакции (термообработанной шихте) не только карбида циркония, но и исходного реагента - оксида циркония. Следовательно, процесс образования карбида циркония полностью не завершается.

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