Спосіб одержання композиційних порошків на основі альфа-фази нітриду кремнію методом свс

 

Винахід відноситься до галузі отримання тугоплавких неорганічних сполук, зокрема до одержання композиційних порошків на основі нітриду кремнію методом високотемпературного синтезу (СВС), які можуть бути використані в якості вихідної сировини для отримання конструкційної і функціональної кераміки високої твердості, зносостійкості і високотемпературної міцності при температурах до 1500°C, в автомобільній і авіаційній промисловості для виробництва елементів двигунів внутрішнього згоряння, футеровки камер згоряння, сепараторів високотемпературних підшипників, лопаток турбін, у машинобудуванні - підшипників ковзання і кочення, пари тертя.

Відомий спосіб одержання композиційних порошків на основі нітриду кремнію методом плазмохімічного синтезу (ПХС). Плазмохімічних синтез здійснюється шляхом введення в реактор з азотною плазмою з среднемассовой температурою 5700-6000°C порошків кремнію та оксиду ітрію в співвідношенні, яке забезпечує одержання після азотування продукту заданого складу з масовою часткою оксиду ітрію від 2 до 18%. У реакторі ПХС відбувається нагрівання, плавлення і випаровування частинок, а далі по ячих газів і частинок потрапляє в систему охолодження і уловлювання, яка складається з декількох послідовних вузлів - теплообмінників та рукавних фільтрів. Ступінь перетворення вихідних порошків в високодисперсні нітриди залежить від повноти випаровування цих порошків, що забезпечується підбором оптимальних умов введення частинок в плазму і ефективним теплообміном між частинками і плазмою. Оскільки вихідний порошок кремнію характеризується високим ступенем полідисперсності, то практично неможливий підбір таких умов. Це призводить до забруднення високодисперсних порошків домішками більш великих часток неиспарившихся вихідних матеріалів і продуктів реакції. В цілях зниження можливості такого забруднення застосовується спеціальний сепаратор. Кількість великих часток зменшується в п'ять - шість разів, але повністю їх присутність не виключається. Важкою проблемою плазмохимической технології є заростання окремих вузлів технологічної установки, зокрема зони реакції, що обмежує тривалість безперервної роботи установки і може вплинути на якісні показники цільових продуктів. (Я. П. Грабис. «Плазмохімічних синтез тонкодисперсних композиційних порошків на основі нітридів» в збірнику наукових праць. Матер�ї порошок на основі нітриду кремнію. Недоліком цього способу є складність технологічного процесу і низька продуктивність, що суттєво здорожує вартість цільового продукту в порівнянні з методом СВС. В даний час вартість такої композиції становить 300-350 євро/кг

Відомий спосіб одержання композиційного керамічного порошку на основі нітриду кремнію та діоксиду цирконію в режимі горіння в середовищі азоту з попередньо подрібнених до розміру часток не більше 0,1 мм промислового феросиліцію в кількості 40-50 мас.%, цирконової концентрату в кількості 20-50 мас.%, які змішують з нітридом кремнію і фторидом амонію, отриману суміш також подрібнюють до розміру часток не більше 0,1 мм Шихту поміщають в СВС реактор, який заповнюють азотом до тиску 2-20 МПа. Локально ініціюють реакцію горіння, по закінченні якої знижують тиск до 0,1-10 МПа і проводять доазотирование протягом 0,5-1,0 ч. Охолоджений продукт подрібнюють, піддають магнітній сепарації для відділення заліза, після чого обробляють в розчинах 15-30% HCl. Нерастворившийся осад відокремлюють, промивають, сушать. Композиційний керамічний порошок являє собою нітрид кремнію β-Si3N4, діоксид цирконію ZrO2(моноклінної і тетронном керамічному порошку не більше 0.5 мас.% (UA №2351435 C1, 10.04.2009).

Недоліком даного способу є фазовий склад композиції. Так бета-фаза нітриду кремнію погано спікається, значить, спечений матеріал буде мати високу пористість. Двоокис цирконію без стабілізуючих добавок при температурі 1175°C зазнає фазовий перехід від моноклінної до тетрагональної модифікації з зміною густини, що різко знижує високотемпературну міцність матеріалу. Високий вміст домішки заліза також знижує міцність композиційного матеріалу. Крім того, стадія кислотної обробки істотно ускладнює і здорожує технологічний процес.

Найбільш близьким до винаходу є спосіб одержання композиційних порошків на основі нітриду кремнію методом високотемпературного синтезу для отримання кераміки на основі нітриду кремнію Si3N4-MgO і Si3H4-Y2O3. Порошки вихідних компонентів - полидисперсний кремній, нітрид кремнію (інертна добавка), оксиди MgO або Y2O3, галогеніди амонію (NH4Cl, NH4F), дозують в необхідних пропорціях і змішують в кульовому млині до отримання гомогенної суміші. Шихту завантажують у СВС-реактор, який заповнюють азотом дЀи тиску 5-10 МПа (Порошкова металургія, 2007, №1/2, с. 10-14).

Спосіб дозволяє отримати в одну стадію активні до спікання композиційні порошки Si3N4-MgO і Si3N4-Y2O3.

Недоліком даного способу є використання галогенідів амонію, у зв'язку з чим при синтезі поряд з цільовим продуктом утворюються хлориди і фториди магнію, ітрію, які знижують міцнісні властивості керамічного матеріалу. Крім того, при використанні полідисперсного порошку кремнію, відбувається неповне азотування великих (більше 100 мкм) частинок кремнію, з утворенням великих агломератів, які порушують структуру кераміки і тим самим знижують характеристики міцності керамічного матеріалу.

Технічний результат винаходу полягає в отриманні активних до спікання, метастабільних композиційних порошків з оксидною фазою складного складу на основі альфа-фази нітриду кремнію методом СВС, які дозволяють методом гарячого пресування отримати щільну, беспористую, дрібнозернисту нитридокремниевую кераміку, зберігає високу міцність до температури 1500°C.

Технічний результат досягається тим, що спосіб одержання композиційного порошку на основі альфа-фази нітриду кремнію мето отриманої суміші в замкнутий реактор, заповнення реактора азотом до необхідного тиску, локальне запалення суміші і синтез в режимі горіння під тиском азоту з подальшим витяганням цільового продукту, при цьому співвідношення кремнію і нітриду кремнію в суміші становить (1÷4-1÷1), зміст одного з двох оксидів становить 3-20% мас., а синтез в режимі горіння проводять під тиском 1-5 МПа. Крім того, в якості порошку кремнію використовують класифіковані порошки кремнію з питомою поверхнею 4-12 м2/р і в склад реакційної суміші вводять класифікований порошок альфа-фази нітриду кремнію з питомою поверхнею не менше 6 м2/р.

Суть винаходу полягає в наступному.

Синтез композицій здійснюється в режимі горіння реакційної суміші. Введені в склад реакційної суміші оксиди в процесі синтезу взаємодіють з оксидом кремнію, який присутній на поверхні частинок кремнію і нітриду кремнію, що веде до утворення оксидних фаз складного складу, які рівномірно розподіляються на поверхні частинок нітриду кремнію, сприяючи, таким чином, формуванню однорідної дрібнозернистої мікроструктури синтезованого порошку з рівномірним розподілом оксидної � якості энергообразующего компонента використовуються класифіковані порошки кремнію, в яких відсутня велика фракція, синтез проводиться в низькотемпературному режимі без використання галогенідів амонію (NH4Cl, NH4F). Зважаючи на відносно високій швидкості протікання азотування в режимі горіння і швидкої швидкості охолодження продукту синтезу після проходження хвилі горіння, отримана композиція складається з активної до спікання альфа-фази нітриду кремнію і оксидної фази складного складу, яка є спекающая добавкою. Таке поєднання характеристик композиції дозволяє методом гарячого пресування отримати щільну, беспористую, дрібнозернисту нитридокремниевую кераміку, зберігає високу міцність до температури 1500°C.

В якості вихідних компонентів для приготування вихідної суміші використовують класифікований порошок кремнію з питомою поверхнею 4-12 м2/р, класифікований порошок альфа - фази нітриду кремнію з питомою поверхнею не менше 6 м2/р, оксид магнію з чистотою не менше 98% і питомою поверхнею не менше 10 м2/р і оксид ітрію з чистотою не менше 99,9% і питомою поверхнею не менше 6 м2/р. Використання класифікованих порошків дозволяє отримати при змішуванні компонентів шихти максим�рідним розподілом оксидної фази. Висока хімічна активність класифікованого порошку кремнію, через відсутність великої фракції, дозволяє провести синтез композицій на основі альфа-фази Si3N4в низькотемпературному режимі. В отриманих композиціях переважають частинки равноосной форми розміром менше 2 мкм, які об'єднані в конгломерати оксидної складової. Оксидна фаза композиційних порошків в залежності від використаних оксидів і умов синтезу може бути представлена силікатом магнію Mg2SiO4і одним або декількома такими сполуками ітрію: силікатом ітрію Y2SiO7N2, оксинитридами ітрію-кремнію YNSiO2, Y2Si3O3N4, YSiO2N, Y4Si2O7N2.

У всіх випадках продукт синтезу являє собою м'який або крихкий спек, що складається з агломерованих частинок. Для отримання тонкодисперсного порошку, спек піддають дезагломерации і, при необхідності, класифікації.

Приклад 1. Готують суміш порошку кремнію з питомою поверхнею 4 м2/г, порошку нітриду кремнію з питомою поверхнею 6 м2/р у співвідношенні (1:2,5) і оксиду магнію (6% мас.) шляхом перемішування в кульової млині протягом 60�еактор герметизують, продувають азотом для видалення кисню повітря з об'єму реактора, заповнюють азотом до тиску 3 МПа і ініціюють горіння шляхом подачі електричного імпульсу струму на суміш через вольфрамову спіраль з наступним синтезом в режимі горіння.

Після закінчення синтезу і охолодження спека, з реактора скидають залишковий тиск, відкривають його і витягують спек на основі нітриду кремнію. Спек являє собою пористий, легко руйнується, крихкий матеріал білого кольору, в якому оксидна фаза представлена силікатом магнію Mg2SiO4.

Приклад 2. Готують суміш порошку кремнію з питомою поверхнею 12 м2/г, порошку нітриду кремнію з питомою поверхнею 10 м2/р у співвідношенні (1:3) і оксиду ітрію (16% мас.) шляхом перемішування в кульової млині протягом 60 хв. Отриману суміш завантажують на графітову човник. Човник з реакційною сумішшю поміщають в реактор СВС. Реактор герметизують, продувають азотом для видалення кисню повітря з об'єму реактора, заповнюють азотом до тиску 2 МПа і ініціюють горіння шляхом подачі електричного імпульсу струму на суміш через вольфрамову спіраль з наступним синтезом в режимі горіння. Після закінчення синтезу і д�ремния. Спек являє собою пористий, легко руйнується, крихкий матеріал білого кольору, в якому оксидна фаза представлена оксинитридом ітрію-кремнію YNSiO2. Інші приклади здійснення способу одержання композиційних порошків, згідно винаходу, представлені в таблиці.

Таким чином, пропонований спосіб дозволяє отримати метастабільні композиційні порошки на основі α-Si3N4без участі галогенідів амонію (NH4Cl, NH4F) методом СВС і є одним з можливих шляхів отримання кераміки з однорідною і дрібнозернистою мікроструктурою. Короткий час фазового α→β переходу під час гарячого пресування дозволяє ущільнити вихідну заготовку, сформувати однорідну дрібнозернисту самоармированную мікроструктуру металу, але недостатньо для зростання зерен бета-фази. Використання композицій α-Si3N4-MeO дозволяє отримати тонкоструктурную кераміку, основу якої становить бета-модифікація нітриду кремнію. Отриманий матеріал має вищі міцнісні високотемпературні властивості в порівнянні з традиційною нитридкремниевой керамікою на основі α-Si3N4(СВС).

1. Спосіб полтемпературного синтезу, включає приготування суміші порошків кремнію, нітриду кремнію та оксиду магнію або ітрію, приміщення отриманої суміші в замкнутий реактор, заповнення реактора азотом до необхідного тиску, локальне запалення суміші і синтез в режимі горіння під тиском азоту з подальшим витяганням цільового продукту, який відрізняється тим, що співвідношення кремнію і нітриду кремнію в суміші становить (1÷4-1÷1), зміст одного з двох оксидів становить 3-20 мас.%, а синтез в режимі горіння проводять під тиском 1-5 МПа.

2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що в якості порошку кремнію використовують класифіковані порошки кремнію з питомою поверхнею 4-12 м2/р.

3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що в склад реакційної суміші вводиться класифікований порошок альфа-фази нітриду кремнію з питомою поверхнею не менше 6 м2/р.



 

Схожі патенти:
Винахід відноситься до галузі отримання нітриду кремнію. Спосіб отримання альфа-фази нітриду кремнію включає приготування суміші порошку кремнію і нітриду кремнію, приміщення суміші в замкнутий реактор, заповнення реактора азотом, локальне запалення суміші, проведення синтезу в режимі горіння під тиском азоту з наступним скиданням залишкового тиску, охолодження та вилучення цільового продукту. Співвідношення кремнію і нітриду кремнію в суміші становить(1:4)-(1:1). У суміш додатково вводять одну або кілька добавок з ряду: NH4Cl, nh 4 f, (NH4)2SiF6, na 2 sif 6, k 2 sif 6 та/або галогеніди металів I, II, III групи. Технічним результатом є розробка промислового способу отримання порошку нітриду кремнію високої чистоти, що містить 60-90% частинок видовженої або равноосной форми при вузькому діапазоні розміру часток, з питомою поверхнею до 14 м2/г, з високим вмістом альфа-фази. 2 з.п. ф-ли, 1 табл., 7 пр.

Спосіб отримання ультрадисперсного порошку нітриду кремнію

Винахід відноситься до галузі порошкової технології і призначене для отримання ультрадисперсних порошків нітриду кремнію. Запропонований спосіб базується на методі саморозповсюджуваного високотемпературного синтезу (СВС-процесу), в якому в якості шихти використовують суміш порошків попередньо активованого нитридообразующего компонента з середнім розміром частинок менше 5 мкм і нітриду кремнію в якості розчинника з середнім розміром частинок менше 1 мкм і шириною розподілу не більше 2 в кількості не менше 25% від загальної маси, як нитридообразующего компонента використовують феросиліцій, після дроблення спека проводять подальше подрібнення (дезагрегацію) порошку в струмені стисненого газу, що подається в насипний шар, при цьому пилегазовий потік рециркулируют як всередині робочого об'єму, виділяючи великі частинки з робочого газу за рахунок інерційною і повітряно-відцентрової сепарації, так і поза його, ежектуючи виділені з потоку циклонним сепаратором дрібні частинки і повертаючи їх у робочий об'єм, при цьому одночасно над насипним шаром і у зоні відділення частинок циклонного сепаратора створюють область дії магнітного поля, в яку подають пилегазовий потік і �ок в ток, индуцируемое частками заліза у пилегазовом потоці, що виходить з насипного шару, і, при досягненні ним мінімального (заданого) значення, процес продовжують ще протягом не менше трьох рециркуляций матеріалу, що залишився в робочому об'ємі, потім эжектирование припиняють, а продукт класифікують на фракції. Технічний результат - отримання порошків нітриду кремнію з ультрадисперсним складом з промислових марок феросиліцію з істотно зменшеними витратами на хімічне очищення від домішок заліза. 12 іл.

Спосіб отримання шихти для синтезу нітриду кремнію

Винахід відноситься до галузі порошкової технології і призначене для одержання високотемпературного синтезу високотемпературних синтезом (СВС) нітриду кремнію з високим вмістом основної речовини, тонкодисперсних розміром основної маси частинок при досить вузькому гранулометрическом складі

Спосіб і пристрій для отримання енергії

Винахід відноситься до використання в якості енергоносіїв вихідних матеріалів, що містять діоксид кремнію

Спосіб отримання кубічного нітриду кремнію

Винахід відноситься до галузі неорганічної хімії, а саме до способів отримання нової щільною надтвердої модифікації нітриду кремнію, що має кубічну структуру шпінелі (- Si3N4)

Спосіб отримання розчину металевого кремнію, спосіб отримання металевого кремнію з розчину і металевий кремній, отриманий на основі цих способів, спосіб отримання керамічних матеріалів і керамічний матеріал, отриманий на основі цього способу

Винахід відноситься до технології отримання матеріалів, а саме до технології отримання полікристалічного кремнію та його хімічних сполук - карбіду і нітриду - з природних кремнійвміщуваних концентратів

Нітрид кремнію з підвищеним вмістом альфа-фази

Винахід відноситься до синтезу тугоплавких неорганічних сполук, які можуть бути використані при отриманні конструкційної кераміки та вогнетривких матеріалів

Спосіб отримання нітриду кремнію з підвищеним вмістом альфа-фази

Винахід відноситься до галузі отримання тугоплавких неорганічних сполук, зокрема до отримання нітриду кремнію, який може бути використаний в інструментальній промисловості для виробництва керамічних різців, в автомобільній і авіаційній промисловості для виготовлення конструкційної високотемпературної кераміки, наприклад, деталей двигунів внутрішнього згоряння, а також у вогнетривкій промисловості як добавка до вогнетривкими матеріалами

Установка для виробництва нітриду кремнію

Винахід відноситься до області хімічного машинобудування і може бути використане для виробництва високоефективного і дорогого матеріалунітриду кремнію, застосовуваного в різних областях техніки
Up!