DE2802425B2

DE2802425B2 - Verfahren zur Herstellung von Titankarbid

Info

Publication number: DE2802425B2
Application number: DE2802425A
Authority: DE
Inventors: Anatoly Vasilievitsch Bochko; Inna Petrovna Borovinskaya; Fedor Ivanovitsch Moskau Dubovitsky; Gennady Gavrilovitsch Kiew Karjuk; Sergei Sergeevitsch Krizhanovsky; Aleksandr Grigorievitsch Merzhanov; Evgeny Ivanovitsch Moshkovsky; Valentina Konstantinovna Prokudina; Viktor Ivanovitsch Ratnikov; Semen Julievitsch Sharivker
Original assignee: INSTITUT CHIMITSCHESKOJ FIZIKI AKADEMII NAUK SSR MOSKAU; INSTITUT PROBLEM MATERIALOVEDENIJA AKADEMII NAUK UKRAINSKOJ SSR KIEW
Current assignee: INSTITUT CHIMITSCHESKOJ FIZIKI AKADEMII NAUK SSR MOSKAU; INSTITUT PROBLEM MATERIALOVEDENIJA AKADEMII NAUK UKRAINSKOJ SSR KIEW
Priority date: 1977-01-21
Filing date: 1978-01-20
Publication date: 1981-02-12
Also published as: US4161512A; DE2802425C3; SE432093B; ATA19978A; FR2377968A1; DE2802425A1; AT375324B; SU644728A1; FR2377968B1; SE7800496L

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Titankarbid, das im Eisen- und Nichteisenhüttenwesen als Schleifmittel sowie als hitzebeständiger und verschleißfester Werkstoff Verwendung findet.

Es ist ein Verfahren bekannt, gemäß dem Titankarbid durch Reduktion von Titandioxid mit Kohlenstoff in der Schutzatmosphäre eines Inertgases wie Wasserstoff, Kohlenstoffdioxid oder Methan in Hochtemperaturöfen bei Temperaturen von 1700 bis 2100⁰C hergestellt wird. Um den Kohlenstoffgehalt im Titankarbid zu erhöhen, unterzieht man es einem wiederholten Erhitzen mit Kohlenstoff (R. Kiffer, P. Schwarzkopf, »Hartmetalle«, Metallurgisch, Moskau, 1957).

Dieses Verfahren ist mangelhaft, weil es einen großen Energieaufwand und eine komplizierte Ausrüstung voraussetzt, mit dem Durchsatz eines Graphitröhrenofens von nicht über 0,5 kg/h nur eine geringe Leistung r, dieser Ausrüstung aufweist und ein Produkt niedriger Qualität liefert, die beispielsweise durch einen Gehalt an gebundenem Kohlenstoff von 18,0 bis 19,5 Gew.-% und an freiem Kohlenstoff von 1,0 bis 2,5 Gew.-% bei einem stöchiometrischen Gehalt an gebundenem Kohlenstoff mi von 20,0 Gew.-% gekennzeichnet ist.

Bekannt ist auch ein Verfahren zur Herstellung hochschmelzender Verbindungen von Karbiden, Bonden und Nitriden der Metalle der IV., V. und VI. Gruppe des periodischen Systems der Elemente. μ

Dieses Verfahren besteht darin, daß mindestens eines der aufgezählten Metalle in äquimolarem Verhältnis mit einem der Metalloide, wie Kohlenstoff, Bor, Stickstoff oder Silizium, vermischt wird. Das gewonnene Gemisch wird in ein abdichtbares Reaktionsgefäß eingebracht und das Gefäß mit einem Inertgas gefüllt, wobei das Volumen des Reaktionsgefäßes wesentlich größer als das des Reaktionsgemisches sein soll/Dann wird ein kleiner Abschnitt der Oberfläche des Reaktionsgemisches von einer Wärmequelle angezündet Infolgedessen wird in einer dünnen Schicht des Ausgangsgemisches ein Brennvorgang initiiert der sich weiter spontan durch die gesamte Reaktionsmasse ausbreitet Die spontane Verbreitung des Brennens über die gesamte Reaktionsmasse erfolgt durch die Wärme, die sich bei der Reaktion der Ausgangsstoffe entwickelt, unii durch die Wärmeübertragung. Die Temperatur in der Brennzone erreicht 2500 bis 4000⁰C(US-PS 37 26 643).

Nachteilig bei diesem Verfahren ist es, daß chemisch reine Ausgangsstoffe benötigt werden. Falls ein durch Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff oder Chlor verunreinigtes Titanpulver zum Einsatz kommt, so bilden sich bei der Karbidsynthese gasförmige Nebenprodukte, die zum Zerstreuen der Reaktionsmasse führen. Die Reaktion wird unsteuerbar. Um einem Zerstreuen der Reaktionsmassse vorzubeugen, muß der Vorgang in der Schutzatmosphäre eines Inertgases bei Drücken von mehreren Dutzenden bis Hunderten von bar durchgeführt werden. Das gewonnene Karbid wird außerdem beim Erkalten wegen des Anfalls gasförmiger Nebenprodukte verunreinigt, wodurch sich seine Betriebs-, beispielsweise Schleifeigenschaften verschlechtern.

Ein anderer Nachteil des beschriebenen Verfahrens ist darin zu sehen, daß die Herstellung von Titankarbid in großtechnischem Maßstab nach diesem Verfahren unmöglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Verfahren zur Herstellung von Titankarbid unter Behebung der erwähnten Mängel derartige Prozeßbedingungen auszuwählen, die es gestatten, die Reinheit des Endproduktes unter Verwendung verunreinigter technischer Ausgangsstoffe zu erhöhen.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein Verfahren zur Herstellung von Titankarbid durch Anzünden eines zu 80 bis 88 Gew.-% aus technischem Titanpulver und zu 20 bis 12 Gew.-% aus feinverteiltem Kohlenstoff bestehenden Gemisches in einer Ummantelung, die sich in einem abdichtbaren Reaktionsgefäß befindet, mit dem Kennzeichen, daß eine Ummantelung aus Graphit oder einem hochschmelzenden Steinzeug auf Basis von Aluminiumoxid oder Titankarbid oder Bornitrid oder ein Gewichtsteil Aluminiumoxid und zwei Gewichtsteile Magnesiumoxid mit einer Porosität von 15 bis 30% eingesetzt und diese intensiv gekühlt wird.

Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Durchschnittsporengröße des Materials der Ummantelung (im folgenden als »Hülle« bezeichnet) beträgt im Fall des Graphits zweckmäßig weniger als 20 μιη und im Fall der Steinzeugmateriaiien zweckmäßig etwa 10 μιη.

Um eine teilweise Sinterung zu verhindern und Titankarbid als ein Pulver, das keiner nachfolgenden Verfeinerung bedarf, gewinnen zu können, kann dem Ausgangsgemisch erfindungsgemäß Titankarbid in einer Menge von 20 bis 40%, bezogen auf das Gewicht des Ausgangsgemisches, zugegeben werden.

Die vorliegende Erfindung läßt sich folgendermaßen verwirklichen.

Als Ausgangsstoffe zur Herstellung von Titankarbid

nach diesem Verfahren dienen feinverteilter Kohlenstoff und Titanpulver mit einer Korngröße von unter 300 um, das zu 2 bis 3 Gew.-% mit Sauerstoff, Wasserstoff und/oder Schwefel verunreinigt ist

Man bringt ein Gemisch von Titanpulver und feinverteiltem Kohlenstoff bei einem Gehalt des letzteren von 12 bis 20 Gew.-% im Gemisch in eine porige Hülle ein und verdichtet das Gemisch auf eine relative Dichte von 0,4 bis 0,5 (Verhältnis der wirklichen zur theoretisch ermittelten Dichte). Das Anzünden des Reaktionsgemisches erfolgt durch Erhitzen mit einer Wolfram- oder Molybdänspirale auf eine Temperatur, die ausreicht, eine exotherme Reaktion zu initiieren. Das Anzünden kann auch durch eine beliebige andere Quelle des Wärmeimpulses vorgenommen werden. Durch das Anzünden entflammt sich ein kleiner Abschnitt der Oberflächenschicht des Gemisches mit anschließender Verbreiterung des Brennvorganges über das gesamte Reaktionsgemisch. Die Temperatur in der Brennzone erreicht 2500 bis 3000° C. Aus in den Ausgangsstoffen enthaltenen Verunreinigungen bilden sich gasförmige Nebenprodukte, die zusammen mit der in den Poren des Reaktionsgemisches verbleibenden Luft bei Temperaturen von 2500 bis 3000⁰C in der Reaktionsmasse während des Brennvorgangs einen Gashochdruck herbeiführen, der mit mehreren Dutzenden bis Hunderten von bar gemessen wird. Der Gashochdruck ruft an sich ein Zerstreuen des Reaktionsgemisches hervor. Um einem schädlichen Einfluß sich bildender gasförmiger Nebenprodukte entgegenzuwirken, werden der Zünd- und der anschließende Brennvorgang in der Hülle durchgeführt, die fest genug, um ein Zerstreuen des Reaktionsgemisches bei Hochtemperaturen der Karbidsynthese zu verhindern, porig gtnug, um das Gas entweichen zu lassen, und inert genug sein soll, um unter den Prozeßbedingungen in keine chemische Reaktion mit den Ausgangsstoffen einzutreten.

Die Festigkeit der Hülle ist durch die Porosität in bedeutendem Maße reduziert, deshalb ist es unerläßlich, die Hülle im Verlauf der Titankarbidsynthese abzukühlen.

Abkühlen kann man die Hülle selbst, indem man sie in einer abdichtbaren Kammer unterbringt und einem die Hülle umgebenden Ringröhrenkühler Wasser zuführt. Man kann auch die abdichtbare Kammer selbst abkühlen, wozu ein unmittelbarer Kontakt der Wandung der abdichtbaren Kammer mit der der Hülle erforderlich ist. Die Wandung der abdichtbaren Kammer ist dabei mit Längsnuten versehen, über die im Brennvorgang entstehende gasförmige Nebenprodukte entfernt werden können.

Die Entfernung der gasförmigen Nebenprodukte aus der abdichtbaren Kammer erfolgt durch Reduzieren des Druckes in der Kammer auf Werte von nicht unter 1,1 bar mit anschließendem Evakuieren der Kammer. «

Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Titankarbid weist eine Reinheit auf, die um eine Größenordnung höher als die der Ausgangsstoffe liegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, Titankarbid herzustellen, dessen Gehalt an gebundenem ω Kohlenstoff dem stöchiometrischen (19,5 bis 19,8 Gew.-%) nahekommt und dessen Gehalt an freiem Kohlenstoff bei 0,08 Gew.-% und an Sauerstoff bei 0,1 Gew.-% liegt. Das Korn des hergestellten Titankarbides stellt einkristalline oder porenfreie dichtgepackte fc5 polykristalline Gebilde mit einem hohen lsometriegrad (das Verhältnis der Kornlänge zur Kornbreite macht 1,0 bis 1.1'i aus).

Nachstehend sind Ergebnisse einer Naßklassierung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Titankarbidpulver zusammengefaßt:

Anteil der jeweiligen Korngröße, %

Korngroße, am	Ante
60-40	15,2
40-28	20,0
28-20	14,6
20-14	10,7
14-10	12
10- 7	10,7
7- 5	5,6
5- 3	3,1
3- 0	1,8

Aus Titankarbidpulvern werden Schmirgel- bzw. Schleifscheiben angefertigt, die zur Bearbeitung von Eisen- und Nichteisenmetallen oder deren Legierungen Verwendung finden. Durch Ersatz von Schleifscheiben auf Korund- oder Siliziumkarbidbasis durch die aus Titankarbid steigt die Schleifleistung auf das Fünf- bis Achtfache unter Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit um eine bis drei Klassen an. Mit Titankarbid als Füllstoff für Schleifpasten anstatt Diamanten wird es möglich, die Schleifleistung auf das 1,5- bis 2fache zu steigern, die Oberflächenbeschaffenheit um eine bis zwei Klassen zu verbessern und ein Chargieren eines Schleifmittels in die zu bearbeitende Oberfläche bei Bearbeitung von Nichteisenmetallen zu vermindern.

Nachstehend sind einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit dem Ziel, die Erfindung besser zu verdeutlichen, angeführt

Beispiel 1

Man bringt 1 kg Gemisch, das zu 12 Gew.-% aus Ruß (Kohlenstoff) mit einem Aschengehalt von bis 0,2% und zu 88 Gew.-% aus Titanpulver mit einer Korngröße von bis 100 μπι und mit einem Grundstoffgehalt von 98 Gew.-% besteht, in einen Becher (eine Hülle) aus einem hitzebeständigen Steinzeug, das aus einem Gewichtsteil Aluminiumoxid und zwei Gewichtsteilen Magnesiumoxid besteht, ein. Die Porosität des Steinzeuges beträgt 15%. Das Reaktionsgemisch wird auf die Dichte von 1,95 g/cm³ verdichtet Der Becher mit dem Gemisch wird dann in einer abdichtbaren Kammer aufgestellt, an deren Innenwandung ein Ringröhrenkühler angeordnet ist. Die Zufuhrgeschwindigkeit des Wassers liegt bei 15 l/min. Das Anzünden einer kleinen Schicht des Reaktionsgemisches wird mittels einer Wolframspirale vorgenommen, der während der Dauer von 1 bis 2 see eine Spannung von 40 bis 60 V bei einer Stromstärke von 60 bis 80 A zugeführt wird und die sich auf eine Temperatur von 2500 bis 3000°C erhitzt Gasförmige Nebenprodukte, die sich in diesem Prozeß bilden, dringen durch den porigen Steinzeugbecher in die abdichtbare Kammer ein. Der Gasdruck in dieser Kammer steigt auf Werte von 20 bar an. Nach Beendigung des Vorganges der Titankarbidsynthese wird der Druck der gasförmigen Nebenprodukte in der abdichtbaren Kammer auf Werte von nicht unter 1,1 bar reduziert und anschließend die Kammer evakuiert.

Die Ausbeute des Endproduktes liegt bei 98.3 Gew.-% Titankarbid bei einem Gehalt an gebundenem Kohlenstoff von 11,8 Gew.-%, an freiem Kohlenstoff von 0.01 Gew.-% und an Sauerstoff von 0.1 Gew.-%.

Beispiel 2

Man bringt 10 kg Gemisch, das zu 16 Gew.-% aus Ruß mit einein Aschengehalt von bis 0,2% und zu 84 Gew.-% aus Titanpulver mit einer Korngröße von bis 200 um und einem Grundstoffgehalt von 98 Gew.-% besteht, in einen Becher aus einem hitzebeständigen porigen Steinzeug, das aus einem GewichtsteU Bornitrid und zwei Gewichtsteilen Magnesiumoxid besieht, ein und verdichtet das Reaktionsgemisch suf die Dichte von 1,87 g/cm³. Die Porosität des Steinzeuges macht 20% aus. Weiter wird in der im Beispiel 1 beschriebenen Weise verfahren. Die Ausbeute des Endproduktes liegt, bei 984 Gew.-% Titankarbid bei einem Gehalt an gebundenem Kohlenstoff von 15,8 Gew.-%, an freiem Kohlenstoff von 0,02 Gew.-% und an Sauerstoff von 0,1 Gew.-%.

Beispiel 3

Man bringt 20kg Gemisch, das zu 20 Gew-% aus Ruß mit einem Aschengehalt von bis 0,2% und zu 80 Gew.-% aus Titanpulver mit einer Korngröße von bis 300 μπι und einem Grundstoffgehalt von 97,5 Gew.-% besteht, in einen Steinzeugbecher (eine Hülle) aus einem porigen gesinterten Titankarbid ein und verdichtet das Reaktionsgemisch auf die Dichte von 1,8 g/cm³. Die Porosität des Steinzeuges beträgt 30%. Der Becher mit dem Reaktionsgemisch wird in einer abdichtbaren Kammer aufgestellt, die ein Stahlrohr darstellt, an dessen Innenwandung Längsnuten vorgesehen sind, damit sich entwickelnde und durch die porige Hülle entweichende gasförmige Nebenprodukte ausgepumpt werden können. Der Druck der gasförmigen Nebenprodukte wird in der abdichtbaren Kammer auf Werte von nicht unter 1,1 bar reduziert und anschließend die Kammer evakuiert Die Kühlung des Steinzeugbechers erfolgt mit Wasser, das in einen an der Außenseite der Kammer angebrachten Kühlmantel mit einer Geschwindigkeit von 12 bis 17 I/min zugeführt wird. Ins Reaktionsgemisch wird eine Schleife eines 1 bis 2 mm starken Wolframdrahtes eingebracht Man zündet eine dünne Schicht des Reaktionsgemisches an, indem man der Drahtschleife eine Spannung von 40 bis 60 V bei einer Stromstärke von 60 bis 80 A zuführt. Weiter wird in der im Beispiel 1 beschriebenen Weise verfahren.

Das gewonnene Produkt stellt eine kompakte graufarbige Masse dar, die von mechanischen Einwirkungen angreifbar ist Die kompakte Masse trägt auf ihrer Oberfläche eine lockere Schicht die sich leicht von Hand abstreifen läßt Diese »Abfälle« machen 1 bis 2 Gew.-% der gesamten Masse aus.

Die Ausbeute des Endproduktes liegt bei 98 Gew.-% Titankarbid bei einem Gehalt an gebundenem Kohlenstoff von 19,7 Gew.-%, an freiem Kohlenstoff von 0,08 Gew.-% und an Sauerstoff von 0,1 G«w.-%.

Das nach dem in diesem Beispiel beschriebenen Verfahren gewonnene und nach seiner Körnung klassierte Titankarbid findet als Schleifmittel für Läpparbeiten beim Schleifen von Eisen- und Nichteisenmetallen Verwendung. Die Messungen der Schleifwirkung, die am bei zehn Minuten langem Prüfschleifen mit einer Belastung von 0,5 kp/cm² erreichbaren und in mg ausgedrückten Verschleiß des Probestabes bewertet wird, ergaben für ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Titankarbid mit einer Körnung 28-20 (d.h. die Korngröße dieses Schleifpulvers liegt zwischen 28 und 20 μπι) den mittleren Verschleiß des Probestabes aus einem Kohlenstoffstahl, dessen Härte HRC 58 bis 61 Einheiten beträgt in Höhe von 4,3 mg, während bei einem Probestab aus demselben Stahl, der mit einem nach dem kohlethermischen Verfahren hergestellten Titankarbid geschliffen wurde, der Verschleiß 2,1 mg ausmachte.

Beispiel 4

Man bringt 13 kg Gemisch, das zu 20 Gew.-% aus Ruß mit einem Aschengehalt von bis 0,2% und zu 80 Gew.-% aus Titanpulver mit einer Korngröße von bis 100 μπι und einem Grundstoffgehalt von 98 Gew.-% besteht, und 2,5 kg Titankarbid in einen eine 20%ige Porosität aufweisenden Graphitbecher ein. Die Dichte des Reaktionsgemisches beträgt 1,8 g/cm³. Weiter wird in der im Beispiel 3 beschriebenen Weise verfahren.

Durch Zusatz des Endproduktes zum Reaktionsgemisch werden die Reaktionstemperatur erniedrigt und ein teilweises Zusammenbacken des Titankarbides verhindert sowie die Herstellung des letzteren in Form eines Pulvers, das keiner nachfolgenden Verfeinerung bedarf, ermöglicht.

Die Ausbeute des Endproduktes liegt bei 97,5 Gew.-% Titankarbid bei einem Gehalt an gebundenem Kohlenstoff von 19,8 Gew.-%, an freiem Kohlenstoff von 0,08 Gew.-% und an Sauerstoff von 0,1 Gew.-%.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Titankarbid durch Anzünden eines zu 80 bis 88 Gew.-% aus technischem Titanpuirer und zu 20 bis 12 Gew.-% aus feinverteiltem Kohlenstoff bestehenden Gemisches in einer Ummantelung, die sich in einem abdichtbaren Reaktionsgefäß befindet, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ummantelung aus Graphit oder einem hochschmelzenden Steinzeug auf Basis von Aluminiumoxid oder Titankarbid oder Bornitrid oder ein Gewichtsteil Aluminiumoxid und zwei Gewichtsteile Magnesiumoxid mit einer Porosität von 15 bis 30% eingesetzt und diese intensiv gekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hülle aus einem hitzebeständigen, eine 15%ige Porosität aufweisenden Steinzeug, das aus einem Gewichtsteil Aluminiumoxid und zwei Gewichtsteilen Magnesiumoxid besteht, verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hülle aus einem eine 30%ige Porosität aufweisenden gesinterten Titankarbid verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Anzünden dem Ausgangsgemisch Titankarbid in einer Menge von 20 bis 40%, bezogen auf das Gewicht des Ausgangsgemisches, zugegeben wird.