Отримання порошків литих тугоплавких сполук

Як уже відзначалось, порошки тугоплавких сполук (ТС) можна використовувати як кінцеву продукцію, наприклад шліфпорошки або складові для виготовлення абразивних матеріалів. Використання ТС як абразивних матеріалів для шліфування металів та сплавів обумовлено низкою їх властивостей. При цьому важливе значення має міцність на роздавлювання частинок порошків ТС та їх абразивна здатність під час шліфування. Для цього найбільш придатні порошки псевдоплавлених або литих ТС.

Загальну технологічну схему отримання порошків плавлених ТС показано на рис. 7.14.

Найчастіше знаходять застосування або перспективу застосування плавлені карбіди тугоплавких металів 1Уа – У1а підгруп таблиці Д. І. Менделєєва або їх сплави з нітридами і боридами цих же металів – карбонітриди і карбобориди.

Отримати ці сполуки в плавленому стані можна методами, які можна поділити на такі групи:

- за видом вихідної сировини;

- за методом плавки.

У свою чергу, методи за видом вихідної сировини поділяють на методи, за яких як вихідну сировину використовують суміш металу або його оксиду і вуглець або боревмісного компонента, і методи, за яких як вихідну сировину використовують порошки готових ТС або їх суміші.

Отримати плавлені ТС методом плавлення можна:

- за допомогою електрода, що витрачається;

- за допомогою електрода, що не витрачається;

- непрямим нагріванням;

- прямим пропусканням струму;

- на повітрі;

- в захисному середовищі;

- у вакуумі.

Нижче зупинимося на розгляді деяких методів отримання ТС у плавленому стані.

Рис. 7.14. Узагальнена технологічна схема отримання порошків плавлених

тугоплавких сполук

Плавлені карбіди були вперше одержані Муассаном у дуговій печі, схему якої показано на рис.7.15. Відповідно до цього процесу оксид відповідного металу змішують з вуглецем і зв’язуючим. Як зв’язуюче можна використовувати скипидар. Одержану шихту компактують у брикети, які поміщають у відкритий графітний тигель 1. Шихту плавлять електричною дугою, яка виникає між графітовими електродами 2.

Рис.7.15. Схема дугової печі Муассана для плавлення карбідів:

1 – графітовий тигель; 2 – графітовий електрод; 3 – вогнетривка кладка

Для плавлення ТС прийнятна піч Сименса, схему якої показано на рис. 7.16. Початкову шихту, розраховану на отримання ТС, зокрема карбідів, плавлять у графітному тиглі I, який служить одним електродом, а другий, графітний електрод 2 переміщується по вертикальній осі в міру розплавлення суміші. Шихта складається з оксиду металу і вуглецевмісної сировини вводиться в зону плавки у вигляді спресованих брикетів або порошку. Залежно від температури плавлення карбіду струм дуги можна регулювати в межах 400 … 1000 А, а напругу ^_ 70…100 В. У процесі нагрівання оксид відновлюється вуглецем до металу, який з’єднується з надлишком вуглецю і утворює карбід. Якщо одержаний карбід за існуючих температур стійкий, то проводять його плавлення, відповідно збільшуючи потужність дуги.

Виходить плавлений карбід у вигляді злитків, у яких немає вільного металу, проте завжди є надмірний вуглець. Цим же методом можна одержувати карбіди плавленням шихти, складених з порошків металу і вугілля, узятих у стехіометричному відношенні. Так, Муассаном у цій печі був одержаний плавлений карбід вольфраму. Як початковий матеріал були використані металевий вольфрам і вугілля. Одержаний продукт містив 3,05 %. Цю речовину він вважав хімічною сполукою і їй було приписано формулу W₂C (розрахунковий вміст зв’язаного вуглецю у W₂C дорівнює 3,16 %).

Рис. 7.16. Схема дугової печі Сименса:

1 – графітний тигель; 2 – графітний електрод; 3 – джерело живлення дуги

У подальших роботах для отримання плавленого карбіду вольфраму Муассан використовував змішану із сажею трьохоксид вольфраму (WO₃) у такому співвідношенні, щоб вуглецю для плавлення шихти було достатньо для відновлення ангідриду до металевого вольфраму і для карбідизації останнього відповідно до схематичної реакції:

2 WO₃ + 7 С = W₂C + 6 CO.

Надалі Муассан й інші дослідники одержали плавлені карбіди титану, цирконію, ніобію, молібдену безпосередньо з оксидів відповідних металів одночасним відновленням і карбідизацією вуглецем під час плавлення. Таким чином, Муассоном був одержаний плавлений карбід титану, якому він приписав формулу ТiС, що відповідає 20,05 % вуглецю в карбіді. Утворення його за Муассоном відбувається відповідно до реакції:

ТiO₂ + 3 С = ТiС + 2 С.

Кроль із співробітниками розробив метод отримання плавленого карбіду цирконію в печі, схему якої показано на рис. 7.16. Вихідна шихта, складена з дрібного цирконієвого піску, що містить близько 67 % двооксиду цирконію, і порошку графіту (відходи графітних тиглів, електродів), розмір частинок якого становить 0,84 мм, завантажувалася в графітний тигель 2 і розплавлялася графітним електродом 9. У процесі плавлення оксид цирконію відновлювався вуглецем до цирконію, який з’єднувався з надлишком вуглецю і утворював карбід, склад якого залежить від умісту графіту в шихті. Так, зі збільшенням масової частки графіту в шихті з 16,5 до 37 % масова частка вуглецю в карбіді збільшується з 4 до 28 %.

Рис.7.16. Схема дугової печі для отримання карбіду цирконію:

1 – залізний ковпак; 2 – душник; 3,10 – водоохолоджувальні контакти;

4 – графітний електрод; 5 – ізоляція; 6 – графітний тигель; 7 – шихта;

8 – порошок графіту; 9 – графітна плита; 11 – залізний кожух

Розглянуті печі відрізняються простотою пристрою. Проте одержані в них плавлені ТС не завжди відрізняються чистотою за хімічним складом значно відрізняються від партії до партії. Останнє, за інших однакових умов, може бути зумовлено взаємодією вихідної шихти й одержуваного продукту з навколишнім середовищем і графітним оснащенням.

Більш досконала установка для отримання плавлених ТС конструкції Парке і Хема (рис.7.17). Шихта, складена із суміші порошків чистих металів із сажею, або заздалегідь одержаний порошок карбіду 1, поступають за допомогою шнека і падаючого механізму 2 в матрицю 4, де пресується в штабик 6. Спресований штабик спікають у зоні спікання 7 і потім плавлять за допомогою дуги. В цьому випадку штабик з карбіду є витратним електродом і служить катодом, а водоохолоджувальна форма, у якій збирається плавлений карбід, анодом. Під час плавлення в такій печі не відбувається взаємодії вихідного і кінцевого продуктів з навколишнім середовищем і оснащенням. У печі передбачено систему вакуумування робочої камери. Плавлення також можливе в середовищі захисного (інертного) газу, яким заповнюють плавильну камеру після її вакуумування.

Рис. 7.17. Схема дугової вакуумної плавильної установки Парке і Хема:

I – вакуумна камера; 2 – механізм подачі; 3 – запас порошку; 4 – матриця;

5 – вакуумний насос; 6 – пресований штабик; 7 – зона спікання;

8 – водоохолоджувальна форма; 9 – зона плавки; 10 – плавлений карбід

Литий карбід вольфраму можна також одержати у високочастотній індукційній печі, показаній на рис.7.18. В цьому випадку шихту пресують в штабики і розміщують у графітовому тиглі 7. Нагрівання шихти до температури плавлення відбувається за допомогою індуктора 1, який розташований між керамічним тиглем 5 і корпусом печі в засипці з оксиду цирконію. Розплавлений карбід заповнює графітову форму 9, розміщену під тиглем, де й кристалізується.

Плавлені ТС можна одержувати в установці, схему якої показано на рис. 7.19. Для здійснення процесу плавлення витратний електрод 11 діаметром 8 мм, що виготовляють методом мундштучного пресування з подальшим спіканням за допомогою молібденової цанги 10, закріплюється в наконечнику 13 рухомої штанги 14. У процесі плавлення електрода штанга переміщується по напрямній кварцовій трубці 12. Плавлення можна провадити за різної густини струму дуги в нейтральному газовому середовищі.

Рис. 7.18. Високочастотна піч для плавлення карбідів вольфраму:

1 – індукційна котушка; 2 – оксид цирконію; 3 – графіт;

4 – оксид магнію; 5 – керамічний тигель; 6 – графітова

труба; 7 – графітовий тигель; 8 – шихта; 9 – графітова

форма; 10 – азбестове ущільнення; 11 – стінка печі

Так, наприклад, у разі плавлення за густини струму 12 А/мм² (тривала підтримка розплаву) виходять крупнозернисті злитки з пластівчастими виділеннями графіту (рис. 7.20, а). У процесі плавлення за густини струму 8 А/мм² формується дрібнозерниста структура злитків (рис. 7.20, б), а також змінюється склад вихідного карбіду (табл. 7.22).

Рис. 7.19. Лабораторна піч з витратним електродом для плавлення карбідів:

1 – основа; 2 – трубка; 3 – водяний затвор; 4 – графітна муфта; 5 – сильфон;

6 – рухома штанга; 7 – наконечник; 8 – кварцова труба; 9 – витратний електрод;

10 – молібденова ценга; 11 – мастика з рідкого скла; 12 – оглядове вікно;

13 – кришка з ізоляційного матеріалу; 14 – ізолювальний упор; 15 – графітова

труба; 16 – графітова крупа; 17 – тигель; 18 – графітний піддон; 19 – мідний

водоохолоджувальний корпус;

Якщо густина струму дуги 12 А/мм², то вміст вільного вуглецю в одержаному продукті буде майже вдвічі більший, ніж у вихідному. Вільний вуглець можна майже повністю видалити відпалюванням плавленого карбіду за температури 2300 ºС протягом однієї години. В цьому разі одержують майже безпористий плавлений карбід без структурно вільного вуглецю (рис.7.20, в).

Таблиця 7.22

Дата добавления: 2014-11-20