JPH07500077A - 窒化ニオビウムの調製方法 - Google Patents

窒化ニオビウムの調製方法

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 窒化ニオビウムの調製方法 発明の分野 本発明(表 一般的にはIV、V及びv1族の金属窒化物の調製に関し、特1: 、鉄合金及びニッケル合金から金属窒化物乞調製及び回収することに関する。
発明の背景 IV、V及びvl族の金属窒化物の調製の適例は窒化ニオビウムの調製である。
窒化ニオビウム1社 従東 ニオビウム鉄(FeNb)から様々な回りくどい方 法で調製されてきた 周知の方法のうちのいくつか任用いることによって窒化ニ オビウムを回収すること(表 コストが高いため、これら方法を商業的に適用す る妨げとなってきた 周知の方法の適例には複数の工程においてFeNbから酸化ニオビウム(Nb2 06)を生成することが含まれる。酸化ニオビウムは生成後、メタロサーミカル に(metallothermically)又はカーボサーミカルに(car bothermically)還元さ札 その結策 溶解することによってさら に精製される適切な金属が生成される。
その後、この金属を、直撓 窒化するか、Nb2o、をアンモニアで窒化するこ とができる。
通常の抽出方法に匝 FeNbを直撓 塩素化することによって、塩化鉄(Fe C1,)及び塩化ニオビウム(NbC1s)を生成することが含まれる。これら の塩化物(よ 約500℃〜1000℃の温度で保持されている粒子状のFeN bの層に塩素を通過させることによって、生成される。
このような塩素化反応は次のよう1ミ その特性を表すことができる。
FeNb+4C12−FeClz+Nbc 16+熱これ(上 発熱を伴う反応 であり、一旦始まると、かなりの熱が生じるので、注意深く制御しなければなら ない。その後、生成されたF e CI 2及びNbCl5は分離しなければな らない。分離(飄蒸気状の混合塩化物を、塩化ナトリウム(NaCl)の加熱さ れた層に通過させることによって行われる。この場合、NaClとともに共融組 成を形成することによって、FeCl3は蒸気処理の流れから除去される。その 後、NbCl5は冷却によって凝縮することができる。
この塩素化工程で(上 上昇温度及び圧力で、有毒な塩素ガスが使用されるので 、腐食が起こり、安全上の問題が生じる。高圧を加えられた腐食性の液体塩素( 上 取り扱いに特別な装置が必要であり、注意深く気化させ、計量し、反応装置 に供給しなければならない。同様1:、反応装置の構造に最適な材料はグラファ イトである。グラファイト(戴 このような環境で使用されると短時間で突然  破砕しうるもろい材料である。さら1:、気化された塩素は通常、過剰に使用さ 1FeNbとの反応が完了する。塩素の過剰分はその後、中和しなければならな いが、この中和によって高価で、不要な副産物が生じる。
分離後の凝縮NbCl51t−、水に加えることによって加水分解されることか でき、その後、漕は中和さね 不溶物は乾燥後、か焼される。又(上 不溶物( 友 酸素が存在する加熱された炉で直接、か焼されることによって、Nb2O6 が生成される。加水分解及び中和工程によって、不要な副産物が生成さ札 乾燥 及びか焼工程は両者とも高いエネルギを必要とし、高価である。
上述したように得られたNb20sl& その後、メタロサーミカル1:、アル ミニウム粉末とともにバッチ反応において還元さ札下記の等式に従ってNb金属 を形成することができる。
3Nb20.+10A l−6Nb+5A I202+熱この反応は発熱を伴い 、後に溶融した状態で重力によって分離される生成物の融点を越える温度にまで 上昇する。高価ではあるが、メタロサーミック(metal lothermi c)還元は歩留まりがよく効果的である。
FeNbからNbを抽出するためのその他の方法に(上 苛性又は炭酸塩の融解 物が含まれる。これらの溶融物を浸出するか、又は洗浄することによって、かな り純度の高い酸化ニオビウムが生成さね 上述したような塩素化処理又はその他 の周知の手段によってさらに精製される。最終的に、酸化物(よ 上述したよう なメタロサーミカル1:、又はカーボサーミカルにNb金属に還元されなければ ならない。
カーボサーミカルにNb、O,を還元する方法を生産ベースで行うことは困難で ある。このような方法1こ1上 結果として得られる金属が炭素又は酸素によっ て汚染されないよう1:、多量の温度入力 真空容器及び酸素に対する炭素の微 妙なバランスが必要である。炭素の酸素に対する比率がほぼ化学量に維持される と、反応は急速に進行し、はんの数%が反応せずに残留するだけである。
その後の反応は時間がかかり、完全な反応は非常に困難である。
このような理由で、カーボサーミック(carbothermic)還元は現在 商業的に使用されていない。
FeNbからNbを抽出するための方法として(上 直撓 電子ビームで溶解し 、Feを選択的に気化することによってFeNbを精製することが理論上で1表  考えられる。これは実際工 非常に高価である。FeNbの融点はかなり低い が、現存しているかなり大量の鉄を過熱し気化させるためには大量の電気が必要 であるため、経済的には実行不可能である。
窒化ニオビウムを調製するための数多くの合成技術が、キエフア−及びベネスボ スキーによる専攻論文である[Hartst。
ffeJ (1963年ウィーン、シュブリンガ呂版)の317頁に述べられて いる。ここに検討されている技術のうち、ここで(上注目に値するものを以下に 述べる。
最初に、Nb2O5からNb20aへの部分的な水素還元が行われた後、炭素の 存在下においてNb2O3の窒化処理が行われる。このような方法を実行する可 能性は高質のNbaOsの入手可能性によって限定される。また、上述したよう に商業的に適している方法でNb2O,を調製するのは困難であるため、この方 法の可能性は限定される。
次に、純粋のニオビウム金属を窒素又はアンモニアと直接組み合わせることがで きる。純粋のニオビウム金JIIL ニオビウムを抽出できる冶金法による最後 から二番目の生成物であるため、このような方法は必然的に、窒化物を生成する ために可能な最も高価な方法である。
さらに、 1984年3几 クリシュナマシ−等によるR&HM、41〜45頁 に報告されたよう1こ、炭素の存在下におけるNb2O6の窒化処理も適用可能 である。この方法(よ 炭素及び酸素の両方を除去するために困難なパイロバキ ューム(pyrovacuum)による真空取扱を必要とする。さらに、この方 法は最終的にニオビウム金属を生成するために意図されたものであるため、生成 される窒化物には多量の酸素及び炭素が含まれる。
さらに、N b 20 sをアンモニアと直接反応させることによって窒化ニオ ビウムを生成できることが、米国鉱業局調査報告8075(1975)及び81 03 (1976)lミ 記載されている。
この方法(飄 高価なNbaOs及びアンモニアから開始さ札 ニオビウム金属 生成にも使用可能である。
本発明の目的 従って、本発明の目的(表 現行の抽出方法にみられる問題、窒化処理の前に所 望の金属を生成するために塩素化 加水分解 か焼及びアルミノサーミック(a luminothermic)還元の工程を含む処理が存在するという問題を解 決し、所望の金属の鉄合金及びニッケル合金から窒化金属を生成するための新規 な方法を提供することである。
さらに、本発明の目的1;1 窒化ニオビウム 窒化バナジウム窒化タンタル及 び窒化シリコンを各々の鉄合金から生成するための新規な方法であって、従来の 方法よりもエネルギを必要とせず、また、危険で腐食性のある材料表広範囲に取 り扱う必要がある従来の方法よりも少ないコストで容易に行うことができる方法 を提供することである。
また、本発明の目的(戴 窒化反応の開始材料としてのNba○。
又はNbの生成を避け、過剰な温度もしくは圧力 高真空状服又は長時間を必要 とすることなく、所望の化学反応を完了する方法を提供することである。
本発明の要約 本発明による窒化金属の調製の適例において、窒化ニオビウムは鉄とニオビウム との合金(F e N b)から調製される。最初1:。
FeNbを水素を含有するガスと反応させ、適量のFeNbの水素化合物を形成 し、FeNb及び水素反応生成物を砕は易くし小さな粒子に細分化しやすくする 9次に、粒子状のFeNb水素化合物を、充分な温度及び時間で、適切な窒素含 有ガス源と反応させることによって、窒化処理し、窒化鉄の相と窒化ニオビウム の相とが明らかに分離している固相が形成される。
図面の簡単な説明 図1は本発明による方法の概略ブロック図である。
図28及び図2bit、本発明によって調製された混合窒化物の840倍及び1 000倍の顕微鏡写真である。
図3は本発明による方法を実施するための反応容器及びシステムの構成図である 。
好適な実施例の詳細な説明 鉄ニオビウム合金(友 合金における構成要素が均質であるため広い範囲の組成 を持つ。FeNb合金は通常、20〜40重量%の鉄と、好ましくは50重量% 以上のニオビウム より好ましくは約65〜67重量%のニオビウムとを含み、 その残余に(表 鉄と、小量のシリコンと、より小量のアルミニウム タンタル 、リン及びチタニウムとが含まれる0通常、鉄ニオビウム合金(表 上述したよ うI−= 砕けにくい。又1;i、、容易に反応する粒子サイズに細分されにく い。
図1の概略図に示すよう1.:、FeNb1i 後述するよう1:、水素化合物 化さ札 その後、周知の方法で粉砕又は摩滅されることによって、充分小さな粒 子サイズを持つ粉末材となる。窒化反応が円滑に進行するように 生成された水 素化合物の表面積は充分な大きさになされる。水素化合物(上 その後、窒乳  アンモニア、窒素及び水素、又は酸素を含まない窒素含有のその他の適切な環境 において、窒化処理される。窒化反応(上 比較的速く進行するよう1:、高い 温度で行わなければならない。しかしながら、温度が高すぎると、反応物の粒子 同志の焼結又は溶結が生じることになり、温度が低すぎると、窒化反応の進行は 遅くなり、経済的に望ましくない。反応は最ネ几 800℃以上で行われること が好ましい。
500℃以下の温度(表 窒化物の形成が生じるという点において(上 機能的 であるが、歩留まりのよい所望の窒化生成物を生成するために1友 長い時間を 必要とする。発熱を伴う窒化反応が行われている間の温度(よ 充分な高さであ れ(戯 窒化鉄及び窒化合金生成物の拡散による分離に有利な効果をもたらす、 この相分離方法によって、次の窒化ニオビウム相からの窒化鉄相の浸出が改善さ れる。
図3に示すよう1:、窒化物反応器1において、熱シールド18を備える密閉さ れた反応容器9の内部1:、窒化生成物10が包含されている。粉末状にさ札  寸法を調整さ札 水素化合された鉄ニオビウム材(社 供給じょうご2からオー ガ駆動装置3に給送される。任意の手動絶縁バルブ7が開いている時1:、オー ガ駆動装置3は水素化合物を導入管25から反応容器9へ給送する。窒素含有ガ ス(よ 入口4から、手動バルブ5又は自動バルブ6、そして導入管25を通っ て反応容器9へ導入される。ここに述べるよう1:、バルブ5.6及び7を閉じ ることによって、反応の所望の段階において反応装置を密閉することができる。
作動に対してどのような圧力を選択しても、圧力1.lt、圧力計11を視るこ とによって、又は導管21に取り付けられ反応容器9の内部と連絡している圧力 変換器23によって調整することができる。圧力1表 圧力出口20から自動バ ルブ17又は手動バルブ]6によって排土することができる。これらのバルブに よって、圧力出口20は導管21と連絡している。さら1:、反応容器1:。
図示したヘリウムのような不活性ガスを加圧する必要がある場合のために入口1 5が設けられている。この場合、入口151;1.、手動バルブ12及び自動バ ルブ13を通じて導管21と連絡する。
上述したようなシステムによって、じょうご2がらオーガ駆動装置3によって反 応容器9へ鉄ニオビウム水素化合物を充填した後に また手動バルブ7を閉じた 後1:、窒素含有ガスを反応容器9に断続的に又は連続的に導入することが可能 である。バルブ7゜12.13、]6、17及び22を閉じると、所望の圧力の 窒素含有ガスを得ることができ、ガスの添加率が制御できる。これは反応率を制 御する一つの手段である。必要な場合(表 反応開始前1−、バルブ5.6.7 、12.13.16及び17を閉じた状態で、バルブ22から真空引きすること によって、容器から排気することができる。又は ヘリウムその他の不活性ガス をバルブ12又は13から導入することによって、反応容器から不必要なガスを 一掃することもできる。この場合、容器9をポンプによって真空状態にした後、 不活性ガスを流すことも可能である。また、反応容器の外側又は内側に(図示し ない)加熱及び/又は冷却手段を備えることもできる。また、例えば熱電対用筒 8に設けられている熱電対によって温度を監視することも可能である。熱電対は  図示しないが、予め選択された位置で反応物質又は容器内そのものの温度を監 視できる高さであれ]f、、筒8においてどの高さに設けてもよい。反応は発熱 を伴うので、反応容器9の内部に熱シールド18が設けられている。
作動時1反応が行われている肌 窒素含有ガスを入口4がら連続的に導入するこ とができる。また適切にバルブを開閉することによって出口20から排気し、予 め設定された圧力を維持することができる。予め設定された反応時間一温度のプ ロフィールを維持するために(表 大気圧以下又は以上のいずれの圧力でも反応 を行うことができる。
図28及び2b[L 窒化反応及び相分離の生成物の、各々、840及び100 0の倍率の顕微鏡写真である。これらの顕微鏡写真の灰色の領域は窒化鉄の相を 表し、それよりも明るい又は白い領域は窒化ニオビウムの相である。本発明の実 施例によれI′L これらの顕微鏡写真が示すよう1:、これらの相は明瞭に分 離される。
鉱業局から発行された二件の報告書番号Rl 8079及びR18103f上  アンモニア中でTa、Nb及びVの酸化物を窒化反応させることによって窒化物 を形成することを論じている。これらの窒化物(上 その後、アークもしくは電 子ビームによる溶解、又は真空室における加熱によって、金属に分解することが 可能である。しかしながら、これらの報告書には鉄又はニッケルの水素化合物を 窒化処理する可能性が認識されていない。
Feの窒化物は通常、余り濃くない酸、特に規定1から約12のHCIIQ 溶 解可能である。使用できるであろうその他の酸としてはフッ化水素酸及び硫酸が ある。従って、窒化処理後、上述したよう1:、このような酸に比較的溶解しに くいニオビウムその他の金属の窒化物から、窒化鉄を浸出することができる。窒 化物形成は化学量論に基づいている必要はなく、酸におけるFeの可溶性に効果 をもたらすよう]:、充分な窒素を反応させればよいだけである。拡散による比 較的高温の相分離沫 図2に示すよう1:。
ニオビウムその他の金属の窒化物がら鉄及び窒化鉄を除去しゃすくすることによ って、その後の浸出分離工程を促進するものである。任意であるが、浸出分離に おいて、フッ化イオンを含む酸溶液を、上記浸出溶液に代えて、又は加えて使用 することも、シリコン、リン及びこれらの化合物のような不要な可溶不純物を選 択的に除去する際1:、効果がある。
Ta、Nb及びVの窒化物の調製(表 本発明による方法によって可能である。
Nb窒化物はフッ化水素酸と硝酸との混合物に可溶であり、窒化タンタル及び窒 化バナジウムは王水にわずかに溶けるので、これらの酸(友 鉄を浸出するには 最適ではないが、浸出物における金属値の分離には有益であろう、塩酸は安価で あり、窒化鉄を浸出する際に効果があり、環境に対する影響があまりない上1: 、比較的容易で安価に中和することができる。
本発明による方法の実施例に関して以下に述べる。
伍ユ 室温又はそれよりもやや高い温度で、 1平方インチ当り約15ボンドの圧力で 、鉄ニオビウムを水素ガスと接触させることによって上述したように調製された 、−回の装入量として8.4ボンドの鉄ニオビウム水素化合生成物を、ロッドミ ルによって粉砕し、寸法を調整し1、蓋のある円筒形のステンレス鋼の容器に入 れた容器から空気を抜き、アルゴンで残留ガスを追放し、窒素ガスを供給する一 方で、加熱することによって容器の温度を上昇させ、その温度を監視しL 約5 38℃の容器温度で、窒素の取込みは著しいものとなっム その後、窒素は連続 的に容器に給送された反応のrBl 正圧を維持するために必要な場合は流量を 増加させた窒素の取入れが進行するにつれて、反応が発熱を伴う性質であるため 、反応容器の温度(表 約1時間以上かけて約1250℃に上昇した さらに窒 素を供給し続けると、温度は1時1.11200℃以上に安定し、その後、約2 時間以上かけて徐々に約1150℃に減少した 一定の窒素の流量で19時が  湿度は1150℃にとどまり、その後、室温にまで低下し九 もとの装入量の9 .1重量%の重量増加がみられた その後の分析によって、窒化鉄及び窒化ニオ ビウムの形成は実質土 完全であることがわかっL獣 最初1:、室温で、最高1平方インチ当り15ボンドの圧力で周知の量の鉄ニオ ビウムを水素ガスと接触させる。鉄ニオビウムを含有する容器から最初に空気を 抜き、次に水素を充填加圧し、正圧に保持して、取込みに時間をかける。水素化 合生成物の水素のレベルを約200ppmから2000ppm、通常的1200 ppmに増加させる。水素含有生成物(、t、20メツシユ以下、好ましくは1 40メツシユ以下の粒子サイズにまで粉砕する。
次に、水素化合し粉砕した鉄ニオビウムを、温度を上昇させながら窒素と接触さ せる。装入物(表 急速に発熱を伴って反応し、窒素の取込量は多く、温度の上 昇は急激である。この工程1表 温度の上昇に伴って、粉砕された水素化金鉄ニ オビウムの容器への添加を制御することによって達成される。容器の温度上昇に 必要な熱のかなりの部分が、この発熱性反応によってもたらされる。
冷却後、生成物は浸出分離のために粉砕される。約1100℃〜1400℃の最 大温度で6〜48時肌 窒素に接触させた後、生成物には8〜12%の重量増加 がみられる。
次1ミ 本例において反応生成物の一部を、希釈された塩酸に適度な温度で接触 させることによって、不純物を浸出する。この段階で、これまでに行われた工程 の効果が明白に表れる。窒化鉄を含む不純物は実質土 浸出さ札 一方、上述し たような処理を施されていない鉄ニオビウム(飄 強い塩酸に長時間接触しても 完全には影響を受けない。本発明による方法において(よ 過度に強い配 上昇 温度又は長時間の浸出分離に関する要件はない0例え(戯−回の浸出分離におい て、5ボンドの窒化生成物が46℃で22.7リツトルの2NHC+に加えられ た 温度1表 4時間以上で46℃〜55℃に可変した 混合物は濾過さり、2 NHClで、次に30リツトルの蒸留水で洗浄されf−41788gの乾燥生成 物が回収された この標準浸出分離後に残った生成物の分析結果を表1に示す。
上述した浸出分離後の窒化物(50g)のサンプルをさらに浸出しL サンプル を、500 m lの6NHC+に7.15gのNH4HF2が含まれている溶 液に50℃で加えた後、この溶液を4時肌 かき混ぜ、濾過し、洗浄し乾燥しん  この分析結果を標準浸出分離の結果と比較して、表1に示す。
扱!漫里光鳳」 フ・・ にょる2 ′Fe、% 1.27 0.51 S1、% 0.91 0.04 P ppm 230 <30 浸出分離後の工程の生成物も市販の窒化ニオビウムと比較したX線回折パターン (友 窒化ニオビウムによる最大値のみを示しhこれ1飄 JCPDSカード番 号20−801と一致している。格子パラメータも下記のようにみられた 表2 一定重量への強熱後得た強熱前後の重量の率を下記の表3に示す。
ネLジ 本発明の実施例によって得られた窒化物1上IV、V及びv1族から選択された 金属の窒化物である。上述した方法によって、好ましく(表 窒化ニオビウム  窒化バナジウム及び窒化タンタル、より好ましくは窒化ニオビウムを形成するこ とができる。このような窒化物1友 −足形成されると、次の工程において利用 できる。
即ち、窒化物を利用して各酸化金属を調製し、次1:、この酸化金属から高純度 の金属を調製するか、又(友 形成された窒化金属から脱窒するため1:、加熱 工程を経て、直接、金属を調製する。
本発明に関して、発明者が現在理解している最良の実施例を記載しL 従って、 請求の範囲に定義されている本発明の範囲1上適用可能な従来技術によってのみ 限定されるものである。
FIG、/。
F/に、2A。
F/に、 2B。
F/に、 3゜ フロントページの続き (81)指定国 EP(AT、BE、CH,DE。
DK、ES、FR,GB、GR,IT、LU、MC,NL、SE)、0A(BF 、BJ、CF、CG、CI、CM、GA、GN、ML、MR,SN、TD、TG )、AT、 AU、 BB、 BG、 BR,CA、 CH,DE、 DK。
ES、FI、GB、HU、JP、KP、KR,LK、LU、MG、MW、NL、 NO,PL、RO,RU、SD、 5E (72)発明者 フェンライク ロイド ジェイ。
アメリカ合衆国、オレゴン州 97333、コルパリス、ヒル−ウッド ブレイ ス サウス ウェスト 3453

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.窒化金属を調製する方法であって、該窒化物を形成するための金属は鉄合金 及びニッケル合金からなるグループから選択された合金に含まれていて、 a)充分な温度で、1平方インチ当り約15ポンドの最大圧力で、充分な時間を かけて、上記合金を酸素を含まない水素含有ガスと反応させ、砕け易い水素化合 生成物を形成し、b)充分高い温度及び圧力で、充分長い時間をかけて、工程a )による水素化合生成物を酵素を含まない窒素含有ガスにおいて反応させ、窒化 鉄又は窒化ニツケル及び窒化合金の化合物を形成し、c)形成された窒化金属組 成から、形成された窒化鉄組成を分離し、窒化金属を回収することからなる方法 。
  2. 2.鉄金属合金における鉄含有量が約20〜約40重量%である請求項1記載の 方法。
  3. 3.窒素含有ガスとの反応の前に水素化合合金が約140メッシュ以下の粒子サ イズに細分化される請求項1記載の方法。
  4. 4.合金が、鉄ニオビウム合金、鉄タンタル合金、鉄バナジウム合金及び鉄シリ コン合金からなるグループから選択される請求項1記載の方法。
  5. 5.窒化反応が約500℃〜約1400℃の温度で充分な時間行われ、混合され た窒化生成物を強磁性にする請求項4記載の方法。
  6. 6.窒化鉄を酸性浸出液に溶解することによって、窒化鉄をその他の窒化物から 分離させる請求項4記載の方法。
  7. 7.酸浸出のための酸が塩酸及び硫酸からなるグループから選択される請求項4 記載の方法。
  8. 8.酸浸出にフッ化イオンが含まれる請求項7記載の方法。
  9. 9.窒化反応の生成物が充分な時間、充分高い温度に維持され、形成された窒化 物の拡散による分離を促進する請求項4記載の方法。
  10. 10.鉄ニオビウムから窒化ニオビウムを調製する方法であって、a)充分高い 温度で、1平方インチ当り約15ポンドの最大圧力で、充分長い時間をかけて、 鉄ニオビウム合金を酸素を含まない水素含有ガスと反応させ、鉄ニオビウム合金 から砕け易い水素化合生成物を形成し、 b)充分高い温度及び圧力で、充分長い時間をかけて、工程a)による水素化合 生成物を酸素を含まない窒素含有ガスにおいて反応させ、窒化鉄及び窒化ニオビ ウムの化合物を形成し、c)形成された窒化ニオビウム化合物から、形成された 窒化鉄化合物を分離し、窒化ニオビウムを回収することからなる方法。
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