СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕЛКОДИСПЕРСНОГО ПОРОШКА ТИТАНА

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам получения металлических порошков разложением гидридов металлов, и может быть использовано для получения мелкодисперсного порошка титана с размерами частиц менее 40 мкм, с заданной удельной поверхностью и низким содержанием примеси водорода. Мелкодисперсный порошок титана с низким содержанием водорода может быть применен для изготовления малогазовых нагревательных смесей, которые используются для активации тепловых химических источников тока, а также для изготовления газопоглотителей, используемых в электронной и вакуумной технике.

Известен способ получения порошка титана термическим разложением в вакууме порошка гидрида титана с последующим механическим измельчением спекшихся частиц титана. Процесс разложения гидрида титана проводят в тонких слоях до 50-100 мм при температуре 600°С и конечном давлении 0,13 Па. По данному способу получен порошок титана с размерами частиц менее 60 мкм и остаточным содержанием водорода от 0,03% (3,3 см³ на 1 г титана). (Патент ФРГ №1168088, С22В 34/12, публ. 16.04.1964.)

Недостаток способа - получаемый порошок содержит фракцию частиц (+40-60) мкм с размерами, превышающими 40 мкм.

В качестве прототипа выбран способ получения мелкодисперсного порошка из титановой губки или стружки металлического титана путем насыщения водородом титановых материалов и механического измельчения полученного гидрида титана с последующим термическим разложением его в вакууме. По данному способу исходный титановый материал насыщают водородом до содержания от 340 до 370 см³ водорода на 1 г титана, что соответствует формуле гидрида титана TiH_1,45-TiH_1,58. Полученный гидрид измельчают в шаровой мельнице до требуемого гранулометрического (дисперсного) состава частиц. Разложение порошка гидрида проводят при температуре от 450 до 550°С в две стадии. Первую стадию разложения осуществляют до остаточного содержания водорода в металле от 150 до 260 см³ водорода на 1 г титана. По окончании первой стадии разложения проводят механическое измельчение спекшихся частиц порошка гидрида. Вторую стадию разложения проводят до требуемого остаточного содержания водорода в титане. По окончании второй стадии разложения также проводят механическое измельчение спекшихся частиц порошка титана и просев порошка через сито с размером ячеек 40 мкм. Выход готового продукта (фракция частиц с размерами менее 40 мкм) составляет не менее 90% от массы исходного титанового материала. Остаточное содержание водорода в порошке титана составляет 4,8 см³ на 1 г титана. (Патент РФ №2240896, В22F 9/16, публ. 27.11.2004, Бюл. №33.)

Однако этот способ не гарантирует стабильности характеристик получаемого порошка титана. Это обусловлено тем, что при гидрировании исходного материала проводится неполное насыщение водородом до содержания от 340 до 370 см³ на 1 г титана (TiH_1,45-TiH_1,58). При неполном насыщении возможно получение гидрида с неравномерным распределением водорода по объему насыщаемого исходного материала (т.е. содержание водорода изменяется в широком диапазоне от исходного ненасыщенного титана до гидрида с содержанием водорода ˜468 см³ на 1 г титана) по причине наличия на поверхности исходного титана окисной пленки, препятствующей протеканию процесса насыщения. Согласно литературным (Устинов B.C. и др. Порошковая металлургия титана. - М.: Металлургия, 1981, с.51) и нашим экспериментальным данным для эффективного измельчения гидрида титана в виде кусков содержание водорода в нем должно быть не менее 2% (˜220 см³ на 1 г титана). В связи с наличием в объеме гидрида титана кусков исходного материала с различным содержанием водорода невозможно проведение качественного измельчения гидрида титана до частиц с требуемой дисперсностью, что отрицательно влияет на размер частиц конечного продукта - порошка титана. Выход порошка титана с размером частиц менее 40 мкм становится менее 90%, при этом удельная поверхность порошка не соответствует заданным нормам.

Задачами предлагаемого изобретения являются стабилизация в заданных пределах удельной поверхности получаемого порошка титана, повышение выхода фракции частиц с размером менее 40 мкм и уменьшение остаточного содержания водорода в порошке титана.

Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого способа, заключается в следующем:

- остаточное содержание водорода в порошке не превышает 4 см³ на 1 г титана;

- выход готовой продукции - фракции частиц с размерами менее 40 мкм - составляет не менее 94% от массы исходного титанового материала;

- удельная поверхность порошка титана, измеренная по методу БЭТ, составляет от 0,8 до 1,5 м²/г.

Для достижения указанных задач и технического результата в предлагаемом способе получения мелкодисперсного порошка титана, включающем гидрирование исходного титана, последующее измельчение полученного гидрида, термическое разложение гидрида титана в вакууме, измельчение образовавшегося спека, при этом разложение проводят в несколько стадий, осуществляя между ними дополнительное измельчение спека, согласно изобретению:

- перед гидрированием исходного титана проводят его термическую активацию при температуре от 400 до 650°С;

- гидрирование титана проводят до содержания водорода от 440 до 468 см³ на 1 г титана;

- измельчение полученного гидрида титана проводят до достижения удельной поверхности по меньшей мере в 2 раза большей, чем у получаемого порошка титана;

- термическое разложение гидрида титана проводят по меньшей мере в две стадии;

- дополнительное измельчение образовавшегося спека проводят при остаточном содержании водорода от 100 до 380 см³ на 1 г титана;

- разложение проводят при температуре от 400 до 650°С.

Указанный технический результат (остаточное содержание водорода в порошке не превышает 4 см³ на 1 г титана; выход фракции частиц с размерами менее 40 мкм составляет не менее 94%; удельная поверхность порошка титана, измеренная по методу БЭТ, составляет от 0,8 до 1,5 м²/г) достигается за счет реализации полного насыщения титана водородом до содержания от 440 до 468 см³ на 1 г титана, что обеспечивается его термической активацией при температуре от 400 до 650°С. Полное насыщение титана водородом позволяет качественно провести процесс измельчения образовавшегося гидрида титана. Измельчение полученного гидрида титана до удельной поверхности по меньшей мере в 2 раза большей, чем у получаемого порошка титана, позволяет уменьшить размер частиц порошка титана и увеличить выход готовой продукции - фракции частиц с размером менее 40 мкм. Количество стадий термического разложения гидрида титана предусмотрено по меньшей мере две, с дополнительным измельчением спека гидрида титана между ними при остаточном содержании водорода от 100 до 380 см³ на 1 г титана. Количество стадий разложения и величина остаточного содержания водорода при дополнительном измельчении выбирается в зависимости от требуемой дисперсности получаемого порошка титана.

Поставленные задачи и технический результат достигаются за счет того, что процесс получения порошка проводят следующим образом. Исходную титановую губку помещают в герметичную реторту, проводят вакуумный отжиг (активацию) материала при температуре от 400 до 650°С и насыщают водородом до содержания от 440 до 468 см³ на 1 г титана, что соответствует формуле гидрида титана TiH_1,88-TiH₂. Затем насыщенную водородом губку измельчают в шаровой мельнице до порошка, имеющего удельную поверхность в 2-3 раза большую, чем у получаемого порошка титана. Термическое разложение порошка гидрида проводят в вакууме при температуре от 450 до 650°С. В процессе разложения, при достижении остаточного содержания водорода в гидриде титана в диапазоне от 100 до 380 см³ на 1 г гидрида, по меньшей мере один раз нагрев реторты прекращают и осуществляют дополнительное измельчение в шаровой мельнице спекшихся частиц порошка гидрида. Процесс разложения гидрида завершают при конечном давлении в реторте с титаном от 5,32 до 0,53 Па. После охлаждения реторты с титаном проводят измельчение спекшихся частиц титана в шаровой мельнице. Измельченный порошок титана просеивают через сито с размером ячеек 40 мкм. Порошок титана, прошедший через данное сито, является выходной продукцией. С целью исключения отходов производства порошок, не прошедший через сито, используют наряду с титановой губкой в качестве исходного материала для получения порошка титана.

Пример

В реторту загрузили 1500 г титана губчатого. Титановую губку проактивировали в вакууме при температуре 450°С в течение 2 ч и насытили водородом до содержания 450 см³ на 1 г титана. Прогидрированную губку перегрузили из реторты в барабан шаровой мельницы, провели измельчение до порошка с удельной поверхностью 2,5 м²/г и снова поместили в реторту на тарелках с толщиной слоя до 30 мм. Первую стадию разложения провели при температуре 500°С при постоянной откачке реторты вакуумным насосом в течение 6,5 ч. После охлаждения реторты до комнатной температуры провели измельчение в шаровой мельнице спека порошка частично разложенного гидрида титана. В результате получили 1520 г порошка гидрида титана с содержанием водорода 220 см³ на 1 г титана. Порошок частично разложенного гидрида снова поместили в реторту и провели вторую стадию разложения при температуре 600°С в течение 45 ч при достижении в реторте конечного давления 2,7 Па. Спек порошка титана измельчили в шаровой мельнице и просеяли через сито с размером ячеек 40 мкм. Получено 1430 г порошка титана с размером частиц менее 40 мкм, что составляет 95% от массы исходной титановой губки. Данный порошок содержал 2,5 см³ водорода на 1 г титана (массовая доля водорода 0,022%) и имел удельную поверхность 1,2 м²/г.

Согласно заявляемому способу получен порошок титана со следующими характеристиками:

- остаточное содержание водорода в порошке 2,5 см³ на 1 г титана;

- удельная поверхность порошка титана, измеренная по методу БЭТ, составляет 1,2 м²/г;

- выход готовой продукции - фракции частиц с размерами менее 40 мкм - составляет 95% от массы исходного титанового материала.