Спосіб одержання карбідів металів перехідної групи

Реферат: Винахід належить до хімічної галузі промисловості, а саме до систем, які використовують для отримання карбідів металів перехідної групи, що використовують в порошковій металургії для отримання твердих сплавів, карбідосталей та виготовлення ріжучого інструменту. Спосіб отриманні карбідів металів перехідної групи шляхом твердофазного синтезу при дії високовольтних електричних розрядів напругою 50 кВ, швидкістю зростання струму 6 ГА/с та заданою питомою енергією на суспензію порошку перехідного металу або композиції перехідних металів у вуглеводневій рідині при співвідношенні твердої і рідкої фаз від 1:3 до 1:30, згідно з винаходом, питому енергію для обробки визначають за встановленою залежністю. Застосування винаходу дозволить синтезувати потрібну кількість вуглецю для отримання дрібнодисперсних карбідів стехіометричного складу та при цьому оптимізувати процес одержання карбідів металів перехідної групи. UA 111396 C2 (12) UA 111396 C2 UA 111396 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до хімічної галузі промисловості, зокрема до способів, які використовують для отримання карбідів, а саме для отримання карбідів металів перехідної групи, що використовують в порошковій металургії для отримання твердих сплавів, карбідосталей та виготовлення ріжучого інструменту. Аналогом способу, що заявляється, є спосіб отримання ультрадисперсних матеріалів (патент № 2201798, Російська Федерація, МПК B01J 3/08, опубл. 10.04.2003) при використанні високих тисків і температур, які розвиваються при детонації конденсованих вибухових речовин. Спосіб оснований на ударно-хвильовому навантаженні шару порошку вихідного матеріалу контактним зарядом вибухової речовини з наступним розльотом у вибуховій камері. Синтез проводять наступним чином: перед першим підривом вибухову камеру вакуумують, наступні вибухи проводять в середовищі продуктів детонації при атмосферному тиску. Перед вакуумуванням на дно вибухової камери наливають неполярну рідину або розчин поверхневоактивної речовини в дистильованій воді. Як порошок вихідного матеріалу використовують гомогенну перемішану суміш порошків з температурою кипіння до 3000°К або порошок хімічного з'єднання з температурою розкладання до 3000°К. Ознакою, яка збігається з суттєвою ознакою винаходу, що заявляється, є отримання карбідів перехідних металів шляхом твердофазного синтезу. Причиною, яка перешкоджає одержанню очікуваного технічного результату, є те, що детонаційна обробка не дозволяє оброблювати великі об'єми матеріалу, так як вона не є циклічною. Як найближчий аналог вибрано спосіб отримання карбідів металів перехідної групи (патент № 97890, Україна, МПК B01J 3/06, опубл. 26.03.2012) при ударно-хвильовій дії на вихідний матеріал, як вихідний матеріал використовують суспензію порошку перехідного металу або композиції перехідних металів та 5-8 % вуглецю в вуглеводневій рідині при співвідношенні твердої та рідкої фаз від 1:3 до 1:30, а твердофазний синтез карбідів перехідних металів проводять при дії на суспензію високовольтними електричними розрядами напругою 50 кВ, швидкістю зростання струму 6 ГА/с та питомою енергією від 1000 до 4000 кДж/л. Ознаками, які збігаються з суттєвими ознаками винаходу, що заявляється, є отримання карбідів металів перехідної групи, шляхом твердофазного синтезу при дії високовольтних електричних розрядів напругою 50 кВ, швидкістю зростання струму 6 ГА/с та заданою питомою енергією на суспензію вуглеводневої рідини та порошку перехідного металу або їх сумішей з концентрацією твердої та рідкої фаз від 1:3 до 1:30. Причиною, яка перешкоджає одержанню очікуваного технічного результату, є те, що цей метод потребує додаткового додавання 5-8 % твердофазного вуглецю, а також не дозволяє контролювати кількість вуглецю, який утворюється під час піролізу вуглеводневої рідини високовольтним розрядом, в свою чергу при отриманні карбідів перехідних металів таким способом залишається вільний вуглець, який значно погіршує властивості спечених матеріалів з таких карбідів. В основу винаходу, що заявляється, поставлено задачу удосконалення способу одержання карбідів металів перехідної групи, шляхом визначення інтегральної питомої енергії високовольтних імпульсних електричних розрядів та густини струму в каналі розряду, що дозволить синтезувати потрібну кількість вуглецю для отримання дрібнодисперсних карбідів стехіометричного складу та інтенсифікувати протікання хімічних реакцій між металом перехідної групи та синтезованим вуглецем, за рахунок цього оптимізувати процес одержання карбідів металів перехідної групи. Суть винаходу полягає в отриманні карбідів металів перехідної групи шляхом твердофазного синтезу при дії високовольтних електричних розрядів напругою 50 кВ, швидкістю зростання струму 6 ГА/с та заданою питомою енергією на суспензію порошку перехідного металу або композиції перехідних металів у вуглеводневій рідині при співвідношенні твердої і рідкої фаз від 1:3 до 1:30, згідно з винаходом, питому енергію для обробки визначають за формулою: Ме Wпит  Cен  CМег mМе , ву де mМе - маса порошку перехідного металу, кг; C ен - коефіцієнт, що враховує зв'язок між кількістю синтезованого нановуглецю та питомою енергією високовольтних електричних розрядів, який встановлений емпірично 8 , Cен  10 Дж / кг   1 UA 111396 C2 5 10 CМег - безрозмірний коефіцієнт, що враховує потрібну кількість вуглецю утвореного при дії ву високовольтних електричних розрядів для утворення сполук стехіометричного складу, який розраховують за формулою: хМе , CМег  ву 100  хМе де хМе - потрібна кількість вуглецю для утворення стехіометричного карбіду перехідного металу, %, при цьому густина струму jк в каналі розряду дорівнює jк  0,56 кА / мм2 . Розкриваючи причинно-наслідковий зв'язок між ознаками способу, що заявляється, і технічним результатом, що досягається, необхідно відзначити наступне. Ознака "питому енергію високовольтних електричних розрядів визначають за формулою: Ме Wпит  Cен  CМег mМе ," дозволить синтезувати потрібну кількість вуглецю для отримання ву дрібнодисперсних карбідів стехіометричного складу і за рахунок цього оптимізувати процес одержання карбідів металів перехідної групи. 15 20 25 Ознака "густина струму jк в каналі розряду дорівнює jк  0,56 кА / мм2 " дозволить сконцентрувати енергію розряду безпосередньо між частинками та в плазмових каналах, що забезпечить інтенсифікацію хімічних реакцій між металом перехідної групи та вуглецем. Суть винаходу пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 представлено рентгенограми порошку як вихідного, так і після обробки з різною густиною струму в каналі розряду, на фіг. 2 залежність кількості синтезованого карбіду від густини в каналі розряду при питомій інтегральній енергії обробки, розрахованій згідно з способом, що заявляється. Спосіб здійснюють таким чином. Як вихідний матеріал використовують суспензію порошку перехідного металу або композиції з суміші перехідних металів в вуглеводневій рідині, електророзрядну камеру заповнюють суспензією та герметизують її. На електроди електророзрядної камери подають імпульси напруги 50 кВ, швидкістю зростання струму 6 ГА/с та здійснюють дію на суспензію високовольтними електричними розрядами з питомою енергією, яку розраховують за формулою: Ме Wпит  Cен  CМег mМе . ву 30 35 40 45 50 При цьому густина струму в каналі розряду має бути jк  0,56 кА / мм2 для інтенсифікації протікання хімічних реакцій між вуглецем та металом перехідної групи. Пробій суспензії мікропорошків в вуглеводневій рідині супроводжується спонтанним пробоєм діелектрика в проміжку між частинками порошку, що обумовлено високою неоднорідністю та напруженістю електромагнітного поля в проміжках. Високовольтний пробій призводить до самоорганізації провідних ланцюгів від частинки до частинки, доки один з них не з'єднається з провідним дном або стінкою розрядної камери. Ланцюг з високою провідністю розігрівається розрядним струмом, перетворюючись у канал, а частинки порошку, які знаходяться у каналі або граничать з ним, взаємодіють між собою у полі значних температур. Оцінювати вплив струму, що протікає через шар частинок оброблюваного порошку, можливо через діючі значення сили струму у каналі розряду. Більший електричний опір зони контакту між частинками порівняно із електричним опором металу у глибині частинки забезпечує більш інтенсивне виділення теплоти (згідно законові Джоуля-Ленца) у зоні цього контакту. Тому на контактних зонах між частинками буде відбуватись інтенсивний масоперенос у твердій фазі; крім того, частина матеріалу може розплавлятися та випаровуватись. На бокових стінках каналу розряду відбувається деструкція вуглеводневих ланцюгів гасу до різних алотропних модифікацій нановуглецю. Внаслідок цих процесів у суспензії мікропорошків у вуглеводневій рідині відбувається сплавоутворення та хімічні реакції з утворенням нових фаз, таких як карбіди, отже саме густина струму впливає на об'єм та температуру плазми між частинками порошку. Приклад 1 Спосіб було реалізовано при обробці 1 кг порошку титану ПТЕ розміром 600-1200 мкм. Відомо, що для отримання стехіометричного з'єднання ТіС в процесі синтезу необхідно завантажити 80 % Ті + 20 % С. Питому енергію високовольтних електричних розрядів розраховуємо за формулою: Ті Ті Wпит  Cен  Cву г mТі , 2 UA 111396 C2 де mТі - маса порошку Ті, кг; C ен - коефіцієнт, який враховує зв'язок між кількістю синтезованого нановуглецю та   інтегральною енергією обробки, Cен  10 8 Дж / кг , 5 10 Ті Cв у г - безрозмірний коефіцієнт, який враховує потрібну кількість вуглецю, утвореного при електророзрядній обробці титану, для утворення сполук стехіометричного складу, і розраховується за формулою: х Ті Ті , Cв у г  100  х Ті де х Ті - потрібна кількість вуглецю для утворення стехіометричного карбіду Ті, (20 %). Отже: 20 Ті Cв у г   0,25 , 100  20 Ті Ті Wпит  Cен  Cву г mТі  108  0,25  1  25000000Дж / кг. В таблиці 1 наведено параметри дії високовольтних електричних розрядів на суспензію порошку титану з розрахованою питомою енергією та різною густиною струму в каналі розряду. Таблиця 1 № режиму 1 2 3 U кВ 50 50 50 Wпит  di / dt ГА/с 6 6,5 8 МДж/кг 25 25 25 jк 2 кА/мм 0,08 0,25 0,56 ТіС % 32 39 58 15 При максимальній густині струму в розглянутих режимах, а саме в режимі 3 при jк  0,56 кА / мм2 , спостерігається найбільша кількість синтезованого ТіС - 58 %. Зменшення 20 густини струму в два рази до jк  0,25 кА / мм2 призводить до зменшення кількість карбідної фази зменшується до 39 %. В режимі № 1 кількість утвореного карбіду складає 32 %. В таблиці 2 наведено результати при дії високовольтних електричних розрядів на суспензію порошку титану при різних значеннях питомої енергії та сталому значенні густини струму в каналі розряду. Таблиця 2 № режиму 1 2 3 25 30 35 U кВ 50 50 50 Wпит  di / dt ГА/с 6 6,5 8 МДж/кг 10 25 40 jк 2 кА/мм 0,8 0,8 0,8 ТіС % 28 71 68 В режимі № 1 в процесі обробки утворюється недостатня кількість вуглецю, що дозволяє отримувати лише 28 % ТіС, в режимі № 2 питома енергія була розрахована згідно запропонованої методики, кількість ТіС склала 71 %, порошок, отриманий в режимі № 3, містить 68 % ТіС, але кількість вуглецю, який синтезувався каналом розряду, була в 2 рази більшою за потрібну, тому отриманий матеріал не придатний для подальшого використання. Приклад 2 Даний спосіб карбідізації також було реалізовано при дії високовольтних електричних розрядів на суспензію 1 кг порошку хрому. Відомо, що для отримання стехіометричного з'єднання Сr3Сr в процесі синтезу необхідно завантажити 86,66 % Сr+13,36 % С. Питома енергія високовольтних електричних розрядів дорівнює: Cr Cr Wпит  Cен  Cву г mCr , де mCr - маса порошку Сr, кг; 3 UA 111396 C2 5 Cr Cв у г - безрозмірний коефіцієнт, який враховує потрібну кількість вуглецю, утвореного при електророзрядній обробці хрому для утворення сполук стехіометричного складу, і розраховується за формулою: х Cr Cr , Cв у г  100  х Cr де хCr - потрібна кількість вуглецю для утворення стехіометричного карбіду Сr, (13,36 %), C ен - коефіцієнт, який враховує зв'язок між кількістю синтезованого нановуглецю та   інтегральною енергією обробки, Cен  10 8 Дж / кг . Отже: 13,36 Cr Cв у г   0,15 , 100  13,36 10 Cr Cr Wпит  Cен  Cву г  mCr  108  0,15  1  15000000Дж / кг. Результати дії високовольтних електричних розрядів на суспензію порошку хрому наведені в таблиці 3. Таблиця 3 № режиму 1 2 3 15 20 U кВ 50 50 50 Wпит  di / dt ГА/с 6 6,5 8 МДж/кг 10 15 20 jк 2 кА/мм 0,8 0,8 0,8 Cr3С2 % 37 82 59 В режимі № 1 в процесі обробки утворюється недостатня кількість вуглецю, що дозволяє отримувати лише 37 % Сr3С2, в режимі № 2 питома енергія була розрахована згідно запропонованої методики, кількість Сr3С2 склала 82 %, порошок отриманий в режимі № 3 містить 59 % Сr3С2, але кількість вуглецю, який синтезувався каналом розряду, була в 1,5 рази більшою за потрібну, тому отриманий матеріал не придатний для подальшого використання. Таким чином, спосіб одержання карбідів металів перехідної групи дозволить синтезувати потрібну кількість вуглецю для отримання дрібнодисперсних карбідів стехіометричного складу і за рахунок цього оптимізувати процес одержання карбідів металів перехідної групи. 25 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 Спосіб одержання карбідів перехідних металів шляхом твердофазного синтезу при дії високовольтних електричних розрядів напругою 50 кВ, швидкістю зростання струму 6 ГА/с та заданою питомою енергією на суспензію порошку перехідного металу або композиції перехідних металів у вуглеводневій рідині при співвідношенні твердої і рідкої фаз від 1:3 до 1:30, який відрізняється тим, що питому енергію високовольтних електричних розрядів визначають за формулою: Ме Wпит  Cен  CМег mМе , ву 35 де mMe - маса порошку перехідного металу, кг; Cен - коефіцієнт, що враховує зв'язок між кількістю синтезованого нановуглецю та питомою 8 енергією високовольтних електричних розрядів, який встановлений емпірично (Сен = 10 Дж/кг), CМег - безрозмірний коефіцієнт, що враховує потрібну кількість вуглецю, утвореного при дії ву 40 високовольтних електричних розрядів, для утворення сполук стехіометричного складу, який розраховують за формулою: хМе CМег  , ву 100  хМе де хМе - потрібна кількість вуглецю для утворення стехіометричного карбіду перехідного металу, %, 2 при цьому густина струму jк в каналі розряду дорівнює jк ≥ 0,56 кА/мм . 4 UA 111396 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5