Способ получения нанокристаллического порошка титан-молибденового карбида

Изобретение относится к химической технологии и может быть использовано в инструментальной промышленности в качестве тугоплавкой основы безвольфрамовых твердых сплавов.

Известен способ получения микрочастиц порошка карбида титана в потоке плазмы с применением в качестве сырья порошкового титана. Роль плазмообразующего газа выполняет аргон, а газом-охладителем и одновременно реакционным газом являлся метан. Температура потока плазмы составляла 6000 ⁰С, давление плазмообразующего газа изменялось от 0,5 до 100 кПа (патент JP 6061929, МПК C01B 31/30, 2017 г.).

В качестве основного недостатка известного способа получения частиц карбида титана можно назвать высокую сегрегацию процесса, несмотря на то, что после закалочных процессов в среде газообразного метана подразумевается разделение переработанного продукта средний размер полученных частиц может изменяться от 27 нм до 1 мкм. Кроме того, способ не обеспечивает получение упрочненного карбида титана.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ получения титан-молибденового карбида состава Ti_1-xMo_xC путем использования самораспространяющегося высокотемпературного синтеза исходной смеси порошков титана, молибдена, никеля и источника углерода с последующим осаждением титан-молибденового карбида из расплава при охлаждении (http://www.virginia.edu/ms/ research /wadley/Documents /Publications/ Ni_Bonded_TiC_Cermet.pdf).

Основным недостатком известного способа является невозможность практически полного испарения первичных продуктов, особенно карбида титана за счет недостаточно высокой температуры процесса (не более 4000⁰С). Температура плавления TiC составляет 3260⁰ ±150⁰С, а температура кипения или испарения -3400⁰С. Вторым существенным недостатком можно обозначить отсутствие сепарирующих технологий в том числе и высокодисперсных продуктов, позволяющих фракционировать продукты синтеза. Третьим недостатком является неполнота процесса формирования титан-молибденового карбида, то есть в процессе получения формируется только оболочка, содержащая Ti_1-xMo_xC.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать способ получения титан-молибденового карбида в индивидуальной форме, обеспечивающего как нанокристаллическое состояние конечного продукта, так его пригодность к длительному хранению и дальнейшему использованию.

Поставленная задача решена в способе получения титан-молибденового карбида, включающем высокотемпературную обработку исходной смеси порошков соединения титана и молибдена с последующим охлаждением, в котором в качестве соединения титана используют карбид титана при массовом соотношении карбид титана: молибден, равном 8:2, а высокотемпературную обработку осуществляют в потоке низкотемпературной азотной плазмы при температуре плазмы 4000-6000°С при мощности плазмотрона 2.4-3.6 кВт/ч и скорости потока плазмы 45-50 м/с. при этом скорость подачи исходного смеси равна 150-180 м/с, после чего охлаждают в потоке азота, улавливают продукт на поверхности тканевого фильтра с последующим капсулированием.

В настоящее время из научно-технической в патентной литературы не известен способ получения титан-молибденового карбида путем обработки смеси карбида титана и молибдена в массовом соотношении 8:2 в потоке низкотемпературной азотной плазмы при температуре плазмы 4000-6000°С при мощности плазмотрона 2.4-3.6 кВт/ч, скорости потока плазмы 45-50 м/с и скорости подачи исходной смеси 150-180 м/с, охлаждения в потоке азота, улавливания продукта на поверхности тканевого фильтра и его капсулирования.

В предлагаемом способе получения титан-молибденового карбида с использованием плазмохимического синтеза по схеме плазменной переконденсации в низкотемпературной азотной плазме обеспечивается формирование нанокристаллических зерен карбида титана, обогащенного молибденом. Характерной особенностью способа получения является практически полное испарение исходных составляющих механической смеси в виде металлического молибдена и порошкового карбида титана.

Авторами были проведены исследования с целью определения оптимальных условий проведения плазмохимической обработки порошкообразной смеси карбида титана и молибдена. Так, при температуре плазмы менее 4000°С при мощности плазмотрона менее 2,4 кВт/ч, скорости потока плазмы менее 45 м/с и скорости подачи порошка менее 150 г/ч наблюдается существенное количество исходного карбида титана в конечном продукте. В случае увеличения температуры плазмы более 6000°С при максимальной мощности плазмотрона более 3,6 кВт/ч, скорости потока плазмы более 50 м/с и скорости подачи порошка более 180 г/ч наблюдается восстановление Мо в конечном продукте в качестве примесного элемента. При этом существенным является массовое соотношение количества исходных карбида титана и молибдена, равное 8:2. При уменьшении колячества карбида титана в процессе плазменной переконденсации произойдет выделение сильнодефектного карбида молибдена Мо_0.42С_0.58. При увеличении количества карбида титана наблюдается его присутствие в порошковой фракции конечного продукта.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом.

Смесь порошков карбида титана и молибдена, взятых в массовом соотношении, равном 8:2, помещают в дозатор поршневого типа и пневмотоком подают в камеру реактора-испарителя установки, оборудованной плазмотроном. При обработке смеси порошков в потоке низкотемпературной азотной плазмы при температуре плазмы 4000-6000°С мощность составляет 2.4-3.6 кВт/ч, расход плазмообразующего газа - 6,0÷6,6 Нм³/ч (нормальных кубических метров в час, Н/м³ - кубический метр газа при давлении 760 мм рт. ст. и температуре 0°С). В качестве плазмообразующего и одновременно реакционного газа используют азот технический марки ГОСТ 9293-74 (N₂ - 99,95%; О₂ - 0,05%). Обработку осуществляют при скорости потока плазмы 45-50 м/с и скорости подачи исходной смеси 150-180 м/с. Полученный продукт в потоке азота поступает и охлаждается в водоохлаждаемой закалочной камере, расположенной в нижней части реактора-испарителя, а затем на тканевый фильтр рукавного типа (средний размер частиц 101-90 нм), куда прореагировавший нанокристаллический продукт синтеза подают пневмотранспортом. Следует отметить, что после процедуры плазменной переконденсации в обязательном порядке выполнялась деактивация нанопорошков в специальном устройстве - капсуляторе (патент RU 2238174; 2207933), после чего все полученные порошковые фракции стали пригодными для длительного хранения в нормальных условиях.

Фазовый состав определяли с помощью дифрактометра Shimadzu XRD-700 (Shimadzu, Япония) с расшифровкой по базе данных International Centre for Diffraction Data (ICDD). Элементный состав нанокристаллических продуктов исследовался с применением растрового электронного микроскопа JEOL JSM 6390 с приставкой для энергодисперсионного анализа. Размеры частиц порошкового продукта определяли методом сканирующей электронной микроскопии (РЭМ JEOLJSM 6390 с энергодисперсионным анализатором JED2100). Порошковый продукт наносился на двусторонний углеродный скотч и обдувался потоком воздуха.

Пример 1

Берут 80 грамм порошка карбида титана TiC, смешивают его с 20 граммами порошка металлического молибдена и обрабатывают в потоке азотной плазмы, для чего помещают в дозатор поршневого типа и пневмотоком подают в камеру реактора-испарителя лабораторной установки ПО "Нитрон" (г. Саратов), оборудованной плазмотроном. Порошок со скоростью 150 г/ч вводят навстречу потоку плазмы, скорость которого составляет 50 м/с. Температура азотной плазмы в камере реактора-испарителя составляет 4000°C. При обработке смеси порошков необходимая мощность плазмотрона составляет 2,4 кВт/ч, расход плазмообразующего газа - 6 нм³/ч. В качестве плазмообразующего и одновременно реакционного газа используют азот технический марки ГОСТ 9293-74 (N₂ - 99,95%; O₂ - 0,05%). Полученный продукт в потоке азота поступает и охлаждается в водоохлаждаемой закалочной камере, расположенной в нижней части реактора-испарителя, после чего улавливается на поверхности тканевого фильтра, а затем капсулируется.

Рентгенофазовый анализ всех исследуемых фракций показал, что на тканевом фильтре собирается гомогенный по составу порошок, состав которого по данным рентгенографии соответствовал сложному карбиду титана-молибдена Ti_0,8Mo_0,2C. Средний размер частиц равен 101 нм.

Пример 2.

Берут 160 грамм порошка карбида титана, смешивают его со 40 граммами порошка металлического молибдена, при этом массовое соотношение карбид титана: молибден, равно 8:2, и обрабатывают в потоке азотной плазмы, для чего помещают в дозатор поршневого типа и пневмотоком подают в камеру реактора-испарителя лабораторной установки ПО "Нитрон" (г.Саратов), оборудованной плазмотроном. Порошок со скоростью 180 г/ч вводят навстречу потоку плазмы, скорость которого составляет 45 м/с. Температура азотной плазмы в камере реактора-испарителя составляет 6000°С. При обработке смеси порошков необходимая мощность плазмотрона составляет 3.6 кВт/ч, расход плазмообразующего газа - 6 нм³/ч. В качестве плазмообразующего и одновременно реакционного газа используют азот технический марки ГОСТ 9293-74 (N₂ - 99,95%; O₂ - 0,05%). Полученный продукт в потоке азота поступает и охлаждается в водоохлаждаемой закалочной камере, расположенной в нижней части реактора-испарителя, после чего улавливается на поверхности тканевого фильтра, полученный порошок капсулируется.

Рентгенофазовый анализ показал, что на тканевом фильтре собирается гомогенный по составу порошок, состав которого по данным рентгенографии соответствовал сложному титан-молибденовому карбиду Ti_0.8Mo_0.2C. Средний размер частиц равен 90 нм.

Таким образом, заявленный способ позволяет получать гомогенный нанокристаллический порошок сложного титан-молибденового карбида Ti_0.8Mo_0.2C со структурой типа NaCl в условиях низкотемпературной азотной плазмы, обеспечивающей практически полное испарение исходных составляющих механической смеси с последующей перекристаллизацией ж получением нанокристаллической фракции. Капсулирование конечного продукта предполагает длительное хранение в нормальных условиях.