CN104498982B - 制备氮化钛的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及制备氮化钛的方法，属于有色金属冶炼技术领域。本发明解决的技术问题是提供制备氮化钛的方法，在钛可溶阳极电解制备金属钛的过程中，在阴极通入氮气，氮气与阴极产生的钛反应生成氮化钛，分离电解质和氮化钛，即得氮化钛产品。本发明采用电解法制备氮化钛，操作简单，生产成本较低，并且可解决钛可溶阳极阴极产品的汇集问题，获得的氮化钛产品质量较好，纯度高，氧含量较低，氮化钛粉末粒径可通过阴极电流密度来调节。
Description
技术领域
本发明涉及制备氮化钛的方法，属于有色金属冶炼技术领域。
背景技术
氮化钛是一种新型的多功能金属陶瓷材料，具有体系优异的性能，如：熔点高、硬度大、摩擦系数小，优良的导热及导电性能等，使其广泛应用于高强度的金属陶瓷工具、喷气推进器和火箭的结构材料、建筑和装饰的涂层材料以及某些耐磨部件的润滑涂层等。
目前，氮化钛的制备主要方法为将钛粉和氮气在高温下进行燃烧反应而制备，其他的制备方法如201310572824.1提供一种采用氮化镁和四氯化钛反应而制得，200610039801.4提供一种氨气和四氯化钛反应制备，201210537399.8提供率一种通过尿素和醇钛高温热解而制备等，这些方法为氮化钛的制备提供了新思路，但这些方法存在成本高、装置设备复杂、不易实现工业化生产等缺点，制约了其发展和应用。
同时，电解法制备金属钛因工艺流程短和成本低等优势成为近年来业界研究的热点，其主要包括TiCl4电解、可溶阳极电解和电脱氧工艺，其中可溶阳极可采用导电的钛原料作为阳极，导电金属为阴极，在含一定量低价钛的碱金属/碱土金属氯化物体系中实施电解获得钛粉，但电解过程存在钛粉脱落严重现象，且脱落的钛粉将与电解质中的低价钛进行反应，严重破坏电解体系的低价钛平衡和影响电流效率，成为制约该工艺的一大障碍。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供制备氮化钛的方法。
本发明制备氮化钛的方法，在钛可溶阳极电解制备金属钛的过程中，在阴极通入氮气，氮气与阴极产生的钛反应生成氮化钛，分离电解质和氮化钛，即得氮化钛产品。
其中，电解温度为650～850℃。
其中，阴极电流密度为1～5A/cm2。
其中，氮气通入量为1～5L/min。
其中，钛可溶阳极为等外钛、海绵钛、碳氧钛(TiC0.5O0.5)或TiC。
进一步的，电解质为碱金属氯化物和/或碱土金属氯化物，并含有2～5wt％的低价钛盐。
其中，所述低价钛盐为二氯化钛和三氯化钛中的至少一种。
电解过程在保护气氛中进行，保护气体为氮气、氩气、氦气中的至少一种。
分离电解质和氮化钛的方法为蒸馏、水洗或酸洗。
蒸馏温度为950℃～1000℃，真空度≤10Pa；酸洗采用浓度0.5～2wt％的盐酸酸洗。
与现有技术相比，本发明采用电解法制备氮化钛，操作简单，生产成本较低，并且可解决钛可溶阳极阴极产品的汇集问题，获得的氮化钛产品质量较好，纯度高，氧含量较低，氮化钛粉末粒径可通过阴极电流密度来调节。
具体实施方式
本发明制备氮化钛的方法，在钛可溶阳极电解制备金属钛的过程中，在阴极通入氮气，氮气与阴极产生的钛反应生成氮化钛，分离电解质和氮化钛，即得氮化钛产品。
由于钛可溶阳极电解钛粉在阴极以固相物形式生成，其主要以三维核模型进行生长，其表面活性较高，在电解温度为650～850℃时，能与氮气较好地反应生成氮化钛。
由于钛粉粒径主要受电流密度及阴极材质的影响，通过适当控制体系电流密度等条件可以获得不同粒径的氮化钛粉末。因此，阴极电流密度优选为1～5A/cm2。
氮气通入量为1～5L/min。氮气通入后与阴极产生的钛粉反应生成氮化钛，控制氮气的通入量，利用连续氮气的搅拌作用，将生成的氮化钛将脱落至槽底，其自身不与电解体系中的Ti3+反应，不会对电极体系造成影响，且氮气也不与电解质体系中的低价钛发生反应，而不会对电极体系造成不良的影响。
其中，钛可溶阳极为等外钛、海绵钛、碳氧钛(即TiC0.5O0.5)或TiC。
进一步的，电解质为碱金属氯化物和/或碱土金属氯化物，并含有2～5wt％的低价钛盐。即低价钛盐占整个电解质的质量的2～5％。
其中，所述低价钛盐为二氯化钛和三氯化钛中的至少一种。
电解过程在保护气氛中进行，保护气体为氮气、氩气、氦气中的至少一种。由于电解质可有效隔离外界的氧，获得的氮化钛产品质量较好，氧含量较低。
本发明是在钛粉制备成本较低的电解过程通过在阴极通氮气获得，其可有效降低氮化钛的制备成本，同时，因氮化钛自身稳定，电解结束后的后处理可以通过简单的水洗、蒸馏或酸洗便可获得氮化钛。
进一步的，蒸馏温度为优选950℃～1000℃，真空度≤10Pa；酸洗优选采用浓度0.5～2wt％的盐酸酸洗。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
以等外钛为阳极，碳钢棒为阴极，以NaCl-KCl-TiClx熔盐为电解质，其中，2≤x≤3，NaCl与KCl摩尔比为1:1，TiClx占电解质质量的4.5wt％，在阴极通入氮气，控制N2流量2L/min、阴极电流密度1.2A/cm2、电解温度为690℃和氩气保护气氛条件下电解2h后，移去阳极，采用水洗除去电解质后获得氮化钛产品45g，取样分析其氮化钛含量为99.6％，粒径大小为45～120μm。
实施例2
以等外钛为阳极，碳钢棒为阴极，以NaCl-KCl-TiClx熔盐为电解质，其中，2≤x≤3，NaCl与KCl摩尔比为1:1，TiClx占电解质质量的4.5wt％，在阴极通入氮气，控制N2流量2L/min、阴极电流密度2A/cm2、电解温度为720℃和氩气保护气氛条件下电解2h后，移去阳极，在蒸馏温度为950℃，真空度为3Pa的条件下蒸馏5h，获得氮化钛产品55g，取样分析其氮化钛含量为99.8％。粒径大小为75～150μm。
实施例3
以碳氧钛(TiC0.5O0.5)为阳极，钼棒为阴极，以NaCl-KCl-TiClx熔盐为电解质，其中，2≤x≤3，NaCl与KCl摩尔比为1:1，TiClx占电解质质量的4.5wt％，在阴极通入氮气，控制N2流量1.5L/min、阴极电流密度1.2A/cm2、电解温度为690℃和和氮气气氛条件下电解2h后，移去阳极，在蒸馏温度为950℃，真空度为5Pa的条件下蒸馏5h，获得氮化钛产品40g，取样分析其氮化钛含量为99.4％。粒径大小为45～75μm。
实施例4
以海绵钛为阳极，钼棒为阴极，以NaCl-CaCl2-TiClx熔盐为电解质，其中，2≤x≤3，NaCl与CaCl2摩尔比为2:1，TiClx占电解质质量的4.5wt％，在阴极通入氮气，控制N2流量1.5L/min、阴极电流密度1.2A/cm2、电解温度为660℃和氮气气氛条件下电解2h后，移去阳极，采用2wt％的盐酸酸洗除去电解质后获得氮化钛产品42g，取样分析其氮化钛含量为99.9％。粒径大小为48～106μm。
实施例5
以海绵钛为阳极，钛棒为阴极，在NaCl-CaCl2-mTiClx(其中，2≤x≤3，NaCl与CaCl2摩尔比为2：1，m为2.5wt％)体系中，在阴极电流密度5A/cm2、N2流量5L/min、电解温度为800℃和氮气气氛条件下电解2h后，移去阳极，采用0.5wt％的盐酸酸洗除去电解质后获得氮化钛产品80g，取样分析其氮化钛含量为99.7％。粒径大小为45～80μm。
Claims (10)
1.制备氮化钛的方法，其特征在于：在钛可溶阳极电解制备金属钛的过程中，在阴极通入氮气，氮气与阴极产生的钛反应生成氮化钛，分离电解质和氮化钛，即得氮化钛产品；阴极电流密度为1～5A/cm2；钛可溶阳极为等外钛、海绵钛、碳氧钛或TiC；电解温度为650～850℃；电解过程在保护气氛中进行，保护气体为氮气、氩气、氦气中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的制备氮化钛的方法，其特征在于：氮气通入量为1～5L/min。
3.根据权利要求1或2所述的制备氮化钛的方法，其特征在于：电解质为碱金属氯化物和/或碱土金属氯化物，并含有2～5wt％的低价钛盐。
4.根据权利要求3所述的制备氮化钛的方法，其特征在于：所述低价钛盐为二氯化钛和三氯化钛中的至少一种。
5.根据权利要求1或2所述的制备氮化钛的方法，其特征在于：分离电解质和氮化钛的方法为蒸馏、水洗或酸洗。
6.根据权利要求3所述的制备氮化钛的方法，其特征在于：分离电解质和氮化钛的方法为蒸馏、水洗或酸洗。
7.根据权利要求4所述的制备氮化钛的方法，其特征在于：分离电解质和氮化钛的方法为蒸馏、水洗或酸洗。
8.根据权利要求5所述的制备氮化钛的方法，其特征在于：蒸馏温度为950℃～1000℃，真空度≤10Pa；酸洗采用浓度0.5～2wt％的盐酸酸洗。
9.根据权利要求6所述的制备氮化钛的方法，其特征在于：蒸馏温度为950℃～1000℃，真空度≤10Pa；酸洗采用浓度0.5～2wt％的盐酸酸洗。
10.根据权利要求7所述的制备氮化钛的方法，其特征在于：蒸馏温度为950℃～1000℃，真空度≤10Pa；酸洗采用浓度0.5～2wt％的盐酸酸洗。
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