ES2335088T3 - Metodo para producir una composicion que contiene metales.. - Google Patents

Abstract

Un método para producir una composición Mn+1AzXn mediante SHS (síntesis por autopropagación a altas temperaturas) en la cual n está comprendido en un intervalo de 0,8-3,2 y z en un intervalo de 0,8-1,2, M es al menos un metal seleccionado del grupo Ti (titanio), Sc (escandio), V (vanadio), Cr (cromo), Zr (zirconio, Nb (niobio) y Ta (tántalo), X es al menos un elemento no metálico escogido entre C (carbono) y N (nitrógeno), y A es al menos uno de los elementos químicos Si (silicio), Al (aluminio) y Sn (estaño) o un compuesto de dichos elementos, de manera que el compuesto final deseado incluya los componentes Mn+1AzXn. El método también comprende la formación de una mezcla en polvo de dicho metal, del elemento no metálico o de un compuesto de dichos elementos, y la adición del compuesto deseado Mn+1AzXn en un estado prerreactivo. Este material funciona luego como un absorbente de calor y la mezcla en polvo se enciende en una atmósfera inerte de tal modo que los componentes reaccionen evitando la disociación, y el método se caracteriza por mantener la temperatura de reacción mismo nivel, o superior, que hace reaccionar los componentes, pero inferior a la temperatura a la cual se disocia la composición.

Description

Método para producir una composición que contiene metales.

La presente invención se refiere a un método para producir una composición que contenga metales. Principalmente se refiere a la producción de carburo de silicio y titanio y a compuestos mixtos de la misma familia.

La síntesis por combustión sin oxígeno, también conocida como SHS (síntesis por autopropagación a altas temperaturas) se emplea generalmente en la fabricación de productos intermetálicos y de composiciones cerámicas.

En la tecnología SHS se enciende localmente una mezcla de dos o más materiales mediante una fuente calorífica intensiva. Esta fuente puede consistir, por ejemplo, en una bobina calefactora, un rayo láser o un haz de electrones. La ignición local produce una reacción localizada, como resultado de una reacción exotérmica fuerte. Esto ocasiona la liberación de un exceso de energía que enciende una parte adyacente del material y finalmente la totalidad del mismo. Esta reacción en cadena es muy rápida y, cuando se controla, constituye una manera muy efectiva de fabricar en masa productos intermetálicos y cerámicos. La mayor temperatura que puede alcanzar el sistema es la temperatura adiabática.

Desde mediados de los años 1980 se han hecho muchos intentos para producir Ti_{3}SiC_{2}. Pampuch y otros (R. Pampuch y otros, "Solid Combustion Synthesis of Ti_{3}SiC_{2}" [Síntesis de Ti_{3}SiC_{2} por combustión sólida], J. EUR. CERAM. SOC., 5,283-87 (1989)) y otros autores encendieron una mezcla en polvo de Ti, Si y C en una atmósfera inerte, obteniendo Ti_{3}SiC_{2} + 10-30% de otras fases, como TiC, TiSi_{2} y SiC.

Goesmann y otros (F. Goesmann y otros, "Preparation of Ti_{3}SiC_{2} by Electron-Beam-Ignited Solid-State Reaction" [Preparación de Ti_{3}SiC_{2} por reacción de estado sólido con ignición por haz de electrones], J. Amer. Ceram Soc. 81, 11, 3025-28 (1998)) creyeron que por SHS no se obtendría una fase predominantemente única de Ti_{3}SiC_{2}, debido al desprendimiento gaseoso de silicio metálico como resultado de la temperatura de reacción extremadamente elevada de la reacción, superior a 2000ºC. Goesmann empezó con una mezcla de Ti y SiC correspondiente a una composición química de Ti_{3}SiC_{2} + 12,5% en peso de silicio en exceso. Para encender la mezcla usó un haz de electrones. La mezcla se procesó en tres etapas: tratamiento térmico a 800ºC e ignición a 900ºC, seguida de tratamiento térmico a 1600ºC para el desprendimiento gaseoso del silicio en exceso. Con este método se obtuvo menos de un 8% de fases secundarias en la muestra.

En nuestra solicitud de patente U.S. nº 09/469,893 de diciembre de 1999 hemos demostrado que el oxígeno atmosférico influye en la estabilidad térmica del Ti_{3}SiC_{2} durante el proceso de producción, y por tanto en el subsiguiente proceso de sinterización, formando SiO gaseoso, lo cual difiere básicamente de la evaporación de silicio por efecto de las temperaturas elevadas.

Así pues, se ha visto que resulta difícil producir carburo de silicio y titanio de la forma arriba mencionada, sin obtener otros productos de reacción.

Se ha dicho arriba que la presente invención también se refiere a composiciones de la misma familia, la cual se puede designar como una composición M_{3}SiZ_{2}, donde M es al menos un metal y Z al menos uno de los elementos químicos C (carbono) y N (nitrógeno).

La presente invención trata el problema de los elevados costes de producción del carburo de silicio y titanio.

Por tanto la presente invención se refiere a un método para producir una composición M_{n+1}A_{z}X_{n}, en la cual n está comprendido en un intervalo de 0,8-3,2 y z en un intervalo de 0,8-1,2, M es al menos un metal elegido del grupo Ti (titanio), Sc (escandio), V (vanadio), Cr (cromo), Zr (zirconio, Nb (niobio) y Ta (tántalo), X es al menos un elemento no metálico escogido entre C (carbono) y N (nitrógeno), y A es al menos uno de los elementos químicos Si (silicio), Al (aluminio) y Sn (estaño) o un compuesto de dichos elementos propicio para obtener los componentes M_{n+1}A_{z}X_{n} del compuesto final deseado. El método también incluye la formación de una mezcla en polvo de dicho metal, del elemento no metálico y del elemento químico citado en último lugar o un compuesto de dichos elementos y la incorporación del compuesto deseado M_{n+1}A_{z}X_{n} en un estado prerreactivo. Este material funciona después como un absorbente de calor, la mezcla en polvo se enciende en una atmósfera inerte que no cause disociación, con lo cual dichos componentes de partida reaccionan. El método se caracteriza por mantener la temperatura de los reactantes al mismo nivel, o superior, que provoca su reacción, pero inferior a la temperatura a la cual se disocia la composición de fase única.

Seguidamente la presente invención se describe con mayor detalle, en parte, haciendo referencia a tres ejemplos.

El método se refiere a la producción de una composición M_{n+1}A_{z}X_{n} en la cual n está comprendido en un intervalo de 0,8-3,2 y z en un intervalo de 0,8-1,2, M es al menos un metal elegido del grupo Ti (titanio), Sc (escandio), V (vanadio), Cr (cromo), Zr (zirconio, Nb (niobio) y Ta (tántalo), X es al menos un elemento no metálico escogido entre C (carbono) y N (nitrógeno), y A es al menos uno de los elementos químicos Si (silicio), Al (aluminio) y Sn (estaño) o un compuesto de dichos elementos propicio para obtener los componentes M_{n+1}A_{z}X_{n} del compuesto final deseado. El método comprende la formación de una mezcla en polvo de dicho metal, del elemento no metálico y del elemento químico citado en último lugar o un compuesto de dichos elementos, y la incorporación del compuesto deseado M_{n+1}A_{z}X_{n} en un estado prerreactivo. Este material funciona luego como un absorbente de calor y la mezcla en polvo se enciende de manera que reaccione en una atmósfera inerte cuya presión parcial de oxígeno sea suficientemente baja para evitar que provoque disociación.

Conforme a la presente invención la temperatura de reacción se procura mantener al mismo nivel, o superior, que hace reaccionar los componentes, pero inferior a la temperatura a la cual se disocia la composición de fase única.

Así pues una característica básica de la presente inven- ción es lograr que la temperatura se mantenga baja durante la reacción, pero sin embargo superior a un determinado nivel.

Éste es un método preferido para producir la composición Ti_{3}SiC_{2} de fase única.

Conforme a una forma de ejecución muy preferida la temperatura se mantiene baja añadiendo Ti_{3}SiC_{2} prerreaccionado, que es un material capaz de absorber calor.

Como absorbente de calor se usa preferiblemente hasta un 25% en peso de Ti_{3}SiC_{2}.

A continuación siguen algunos ejemplos.

Ejemplo 1

Se mezcló Ti, SiC y grafito en polvo para producir una mezcla estequiométrica correspondiente a Ti_{3}SiC_{2}. Esta mezcla se combinó con un 12% en peso de Ti_{3}SiC_{2} prerreaccionado.

La mezcla se introdujo en un recipiente de reacción, a través del cual se pasaba un flujo de 0,5 l/min. de argón. El espesor del lecho de polvo era de unos 20 cm.

El lecho se incendió mediante un elemento de siliciuro de molibdeno situado en el fondo del recipiente de reacción y los componentes del lecho reaccionaron.

Después de enfriar se sacó el polvo del recipiente de reacción. El lecho podía aglomerarse fácilmente.

Se tomaron muestras del lecho y se analizaron mediante difracción por rayos X.

Se determinó que el lecho contenía 2-4% en peso de TiC, aproximadamente.

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Ejemplo 2

Se procedió como en el ejemplo 1, pero añadiendo 25% en peso de Ti_{3}SiC_{2} prerreaccionado a la mezcla.

Tras la ignición y el enfriamiento se halló que el lecho contenía 15-20% en peso de TiC.

El ejemplo 2 demuestra entre otras cosas que la dilución excesiva con material prerreactivo produce como resultado una reacción incompleta, con lo cual el lecho requiere un tratamiento térmico de ocho horas a 1400°C para obtener un material de fase única.

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Ejemplo 3

Se procedió como en el ejemplo 2, mezclando Ti, Si y grafito en polvo con 25% en peso de Ti_{3}SiC_{2} prerreaccionado y se añadió a la mezcla.

Tras la ignición y el enfriamiento se halló que el lecho contenía 25-30% en peso de TiC.

Después de someter el lecho a un tratamiento térmico de 1400ºC durante ocho horas, se encontró que el lecho contenía menos del 2% de TiC.

Este ejemplo demuestra que se puede utilizar Si en lugar de SiC.

Por lo tanto la presente invención no debe considerarse limitada a las formas de ejecución descritas en los ejemplos, ya que permite efectuar variaciones dentro del ámbito de las reivindicaciones secundarias.

Claims (5)

1. Un método para producir una composición M_{n+1}A_{z}X_{n} mediante SHS (síntesis por autopropagación a altas temperaturas) en la cual n está comprendido en un intervalo de 0,8-3,2 y z en un intervalo de 0,8-1,2, M es al menos un metal seleccionado del grupo Ti (titanio), Sc (escandio), V (vanadio), Cr (cromo), Zr (zirconio, Nb (niobio) y Ta (tántalo), X es al menos un elemento no metálico escogido entre C (carbono) y N (nitrógeno), y A es al menos uno de los elementos químicos Si (silicio), Al (aluminio) y Sn (estaño) o un compuesto de dichos elementos, de manera que el compuesto final deseado incluya los componentes M_{n+1}A_{z}X_{n}. El método también comprende la formación de una mezcla en polvo de dicho metal, del elemento no metálico o de un compuesto de dichos elementos, y la adición del compuesto deseado M_{n+1}A_{z}X_{n} en un estado prerreactivo. Este material funciona luego como un absorbente de calor y la mezcla en polvo se enciende en una atmósfera inerte de tal modo que los componentes reaccionen evitando la disociación, y el método se caracteriza por mantener la temperatura de reacción mismo nivel, o superior, que hace reaccionar los componentes, pero inferior a la temperatura a la cual se disocia la composición.

2. Un método según la reivindicación 1, caracterizado porque n = 1, 2 o 3.

3. Un método según la reivindicación 1, caracterizado porque el material es Ti_{3}SiC_{2}.

4. Un método según la reivindicación 1, caracterizado porque el material es Ti_{2}AlC o Ti_{2}SnC.

5. Un método según la reivindicación 1, 2, 3 o 4, caracterizado porque se emplea hasta un 25% en peso de material prerreactivo como absorbente de calor.