RU2538794C1 - Способ получения композиционных порошков тугоплавких и редкоземельных металлов - Google Patents
Способ получения композиционных порошков тугоплавких и редкоземельных металлов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2538794C1 RU2538794C1 RU2013157152/02A RU2013157152A RU2538794C1 RU 2538794 C1 RU2538794 C1 RU 2538794C1 RU 2013157152/02 A RU2013157152/02 A RU 2013157152/02A RU 2013157152 A RU2013157152 A RU 2013157152A RU 2538794 C1 RU2538794 C1 RU 2538794C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- powder
- rare
- minutes
- metals
- earth metals
- Prior art date
Links
Landscapes
- Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области порошковой металлургии. Проводят магниетермическое восстановление хлоридов металлов в расплаве хлористого калия при нагревании и перемешивании. Восстановленную реакционную массу выдерживают без перемешивания в течение не менее 30 минут при 800-900°C, затем ее охлаждают, проводят гидрометаллургическую обработку раствором хлористого аммония с концентрацией 10-50 г/л NH4Cl при температуре не более 40-50°C в течение 30-60 минут с получением порошка. Обеспечивается увеличение выхода металлов в конечный продукт, повышение гомогенности состава порошков. 1 з.п. ф-лы, 4 пр.
Description
Изобретение относится к области порошковой металлургии тугоплавких и редкоземельных металлов (Zr, Hf, Та, W, Dy, Gd и пр.), используемых в производстве жаропрочных коррозионно- и радиационно-стойких сплавов для атомной, авиационной и химической промышленности.
Композиционные порошки гафний-диспрозий, а также гафний-гадолиний могут быть использованы для изготовления поглощающих стержней системы защиты атомных реакторов, так как диспрозий и особенно гадолиний обладают очень высокой способностью поглощать нейтроны по сравнению с гафнием, превышающей последнюю на один-два порядка. Кроме того, порошки гафний-10% диспрозия можно использовать для изготовления рентгенозащитных экранов от энергий гамма-квантов 10-80 кэВ (диапазон излучения достаточно большого числа используемых рентгеновских аппаратов), вводя их в циркониевую матрицу. Практическое значение с учетом механических свойств и технологичности имеют бинарные сплавы системы цирконий-гафний и тройные системы цирконий-гафний-диспрозий с содержанием диспрозия до 3%. Легирование гафнием до 27% позволяет на 51% повысить уровень защитных свойств циркония, а введение 2,7% диспрозия приводит к дополнительному повышению защитных свойств матрицы цирконий-гафний еще на 16%. Легирование цирконий-гафниевой матрицы до 3% диспрозием обеспечивает высокий уровень механических свойств сплава.
Известен способ получения порошков металлов (пат. РФ №2432231 от 08.07.2009 г.). Изобретение относится к технологиям производства порошков чистых металлов, а также композиционных сплавов. Способ получения композиционных порошков включает нагревание исходного сплава металлов в потоке инертного газа до температуры испарения металлов с образованием паров металлов в потоке инертного газа и выделение из данного потока порошка сплава металлов при температуре ниже температуры плавления исходных металлов. Нагревание исходных металлов осуществляют пучком электронов, обладающим энергией 0,4-3,0 МэВ и мощностью не более 200 кВт, при давлении, близком к атмосферному, и расходе потока инертного газа 0,5-25000 л/мин. Таким способом получен порошковый композит никелида титана. Для этого образец сплава никелида титана помещают в испарительную камеру, куда подают инертный газ гелий. На поверхность сплава никелида титана воздействуют пучком электронов от ускорителя электронов мощностью 20-200 кВт, под действием которого поверхность сплава нагревается до температуры парообразования металлов (для Ni Тпар.=2140°C, для Ti Тпар.=3170°C). Образуются пары металлов никеля и титана, которые захватываются потоком гелия и вместе с ним движутся к выходу из испарительной камеры. Поскольку температура инертного газа ниже Тпл. никеля и титана, из паров осаждается порошок сплава никелида титана, который потоком гелия уносится в накопительный бункер, где охлаждается естественным образом. Недостатком метода является то, что процесс получения композиционных порошков представляет сложный высокотемпературный процесс, который осуществляют при температурах до 3200°C. Кроме того, композиционные порошки данным методом получают в три стадии. На первой стадии получают исходные металлы высокой чистоты, на второй - их сплавы, на третьей - порошковый композит.
Известен способ получения порошокообразного интерметаллидного соединения кобальта и редких земель (пат. США №3826696 от 30.07.1974 г.) путем твердофазного восстановления оксидов редких земель карбидом кальция. Процесс включает приготовление порошкообразной смеси из кобальта, оксида редкоземельного металла и гидрида кальция, нагрев смеси до 850°C в инертной атмосфере для восстановления оксида редкоземельного металла, выдержку смеси при 850-1000°C в течение 1-4 часов для диффузии образующегося редкоземельного металла в кобальт, охлаждение продукта и его обработку водой или раствором уксусной кислоты для удаления из порошка примеси кальция. В результате получают порошок интерметаллидного соединения, например, Co5Sm. Недостатком способа является значительная продолжительность процесса и необходимость чрезвычайно тонкого измельчения исходных реагентов, чтобы гидрид кальция, являющийся восстановителем, мог эффективно взаимодействовать с оксидом, а образующийся редкоземельный металл мог глубоко диффундировать внутрь кобальтовых частиц.
Известен способ получения металлических порошков редких металлов (пат. РФ №2416493, МПК B22F 9/18), основанный на восстановлении магнием расплавленных солей редких металлов и хлористого калия. Процесс включает приготовление расплавленной солевой ванны, состоящей из двойных комплексных хлористых солей редких металлов и хлористого калия, восстановление редких металлов при 750-800°C в течение 15±5 минут и перемешивании, быстрое охлаждение восстановленной реакционной массы до комнатной температуры со скоростью 50-100° / мин, выгрузку плава из реакционного сосуда, удаление из металлического порошка избыточного магния и солей хлоридов магния и калия растворением их соляной кислотой, сушку порошка. Данным способом получают однокомпонентные и композиционные порошки. Особенностью способа является получение порошков в ультрадисперсном состоянии, что способствует повышению однородности химического состава композиционных порошков. Способ принят за прототип.
Недостатком способа является невысокий выход металлов в конечную продукцию, если редкие металлы относятся к группе редкоземельных. Низкий выход связан с растворимостью редкоземельных металлов в соляной кислоте при гидрохимической промывке порошков от продуктов восстановления (Mg, MgCl2, KCl). Редкоземельные металлы хорошо растворяются даже в воде при комнатной температуре. При водной промывке композиционных порошков, содержащих легко растворимые редкоземельные металлы, снижается гомогенность химического состава порошков.
Техническим результатом предложенного способа является увеличение выхода металлов в конечный продукт, повышение гомогенности состава порошков.
Технический результат достигается тем, что в способе получения композиционных порошков тугоплавких и редкоземельных металлов, включающем магниетермическое восстановление хлоридов металлов в расплаве хлористого калия при нагревании и перемешивании, гидрометаллургическую обработку восстановленной реакционной массы, сушку порошка, восстановленную реакционную массу выдерживают без перемешивания в течение не менее 30 минут при 800-900°C. Обработку проводят раствором хлористого аммония с концентрацией 10-50 г/л NH4Cl при температуре не более 40-50°C и времени 30-60 минут.
Технический результат достигается также тем, что содержание редкоземельных металлов в композиционном порошке поддерживают на уровне не более 6 масс.%.
Сущность способа заключается в совокупности отличительных признаков и в параметрах проведения процессов металлотермического восстановления редкого и редкоземельного металла и его гидрохимической обработки.
Первым существенным отличием является выдержка восстановленной реакционной массы без перемешивания в течение не менее 30 минут при температуре 800-900°C. Указанных времени и температуры достаточно, чтобы завершился процесс диффузии редкоземельных металлов в матрицу тугоплавкого металла с образованием нерастворимого в кислотах твердого раствора. Уменьшение времени процесса менее чем до 30 минут и температуры менее чем до 800-900°C приводит к неполной диффузии редкоземельных металлов в матрицу тугоплавкого металла и, как следствие, к сохранению в порошке части редкоземельных металлов в виде самостоятельной фазы, которые выщелачиваются в раствор на операции гидрохимической обработки, что приводит к снижению выхода редкоземельных металлов в порошок и снижению гомогенности последнего. Увеличение времени процесса более чем до 30 минут и температуры более чем до 800-900°C приводит к неоправданным затратам энергии, которые не компенсируются достигаемым результатом.
Вторым существенным отличием является проведение гидрохимической обработки порошка раствором хлористого аммония - менее агрессивного вещества, чем соляная кислота. Проведение гидрохимической обработки раствором с концентрацией 10-50 г/л NH4Cl при температуре не более 40-50°C и времени 30-60 минут является достаточным для полного выщелачивания из порошка избыточного магния и солей хлоридов магния и калия. При этом сам металлический порошок не растворяется. Увеличение температуры более чем до 50°C приводит к нежелательному гидролизу металлов и загрязнению порошка кислородом. Снижение температуры менее чем до 40°C, концентрации NH4Cl менее чем до 10 г/л и времени менее чем до 30 минут приводит к значительному увеличению продолжительности процесса и недостаточному выщелачиванию избыточного количества восстановителя. Увеличение концентрации NH4Cl более чем до 50 г/л и продолжительности обработки более чем до 60 минут приводит к неоправданным затратам реагентов и энергии, которые не компенсируются достигаемым результатом.
Дополнительным признаком изобретения является поддержание содержания редкоземельных металлов в порошке на уровне не более 6 масс.%. При данном содержании образуется однофазный порошок, представляющий собой твердый раствор редкоземельных металлов в тугоплавком металле. При промывке такого порошка раствором хлорида аммония не происходит выщелачивание редкоземельных металлов из матрицы тугоплавкого металла. Увеличение содержания редкоземельных металлов более чем до 6 масс.% приводит к образованию двухфазных порошков, содержащих помимо фазы твердого раствора фазу чистого редкоземельного металла. При гидрохимической обработке двухфазного порошка происходит растворение фазы чистого редкоземельного металла, что приводит к снижению выхода металлов в конечный продукт и уменьшению однородности химического состава порошка.
В общем случае способ получения композиционного порошка редкоземельного и тугоплавкого металлов согласно изобретению осуществляется следующим образом.
В цилиндрический реакционный сосуд загружают шихту, содержащую хлориды редкоземельного и тугоплавкого металлов и хлористый калий. Реакционный сосуд устанавливают в реторту печи с защитной аргоновой атмосферой. Разогревают шихту до температуры 750-800°C, при которой происходит расплавление шихты. Включают мешалку со скоростью 300-400 об/мин. Расплав выдерживают при перемешивании в течение 15 мин. В расплав вводят единовременно «залпом» восстановитель - металлический магний в виде порошка, гранул или стружки в количестве 110-120% от стехиометрически необходимого количества и проводят одновременное магниетермическое восстановление хлоридов редкоземельного и тугоплавкого металлов в течение 15-20 мин. Затем поднимают температуру до 800-900°C. После этого перемешивание останавливают. Расплав выдерживают без перемешивания в изотермических условиях в течение 30 минут. Затем нагрев отключают, а расплав охлаждают. Остывший плав с порошком трижды обрабатывают раствором 10-50 г/л NH4Cl при температуре 50°C и соотношении Т:Ж=1:10. Общее время промывки составляет 30-60 минут. Полученный порошок сушат на воздухе. Фазовый состав порошка определяют рентгеновским методом. Химический состав порошка и промывных растворов определяют методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой. Выход металлов в порошок рассчитывают на основании данных весового и химического анализов.
Заявленное изобретение иллюстрируется примерами.
Пример 1. В цилиндрический реакционный сосуд из карбида кремния диаметром 50 мм и высотой 230 мм загружают шихту, содержащую хлорид циркония, хлорид диспрозия и хлорид калия. Содержание диспрозия в порошке Zr-Dy составляет 6 масс.%. Содержание порошка Zr-Dy в шихте составляет 20%. Реакционный сосуд устанавливают в реторту печи. Разогревают печь до температуры 800°C, при которой шихта расплавляется. Включают мешалку со скоростью 300 об/мин. Расплав выдерживают при перемешивании в течение 15 мин. Далее в расплав вводят единовременно «залпом» металлический магний в виде гранул в количестве 120% от стехиометрически необходимого количества. Расплав выдерживают в изотермических условиях при перемешивании в течение 15 минут. После завершения процесса магниетермического восстановления хлоридов циркония и диспрозия расплав выдерживают в изотермических условиях без перемешивания еще в течение 30 мин. Сливают часть осветленного расплава (75%) в металлический поддон вакуумным сифоном. Оставшуюся часть расплава с металлическим порошком охлаждают. Остывший плав трижды обрабатывают раствором 10 г/л NH4Cl при температуре 50°C. Общее время промывки 30 мин. Отмытый от солей и избыточного количества магния порошок композита Zr-Dy сушат при комнатной температуре. Получают однофазный порошковый композит Zr-Dy, в котором диспрозий входит в состав твердого раствора циркония. В промывных растворах тугоплавкий и редкоземельный металлы не обнаружены. Выход металлов в готовый продукт составляет 99,6%. В шести отобранных из порошка пробах относительное отклонение содержания циркония и диспрозия от среднего значения не превышает 2%, что свидетельствует о высокой гомогенности состава.
Пример 2. В реакционный сосуд (как в опыте №1) загружают шихту, содержащую хлориды циркония, гафния, диспрозия и калия. Содержание диспрозия в композиционном порошке Zr-Hf-Dy составляет 3 масс.%, Hf -27 масс. %, содержание порошка Zr-Hf-Dy в шихте составляет 20 масс.%. Магниетермическое восстановление хлоридов циркония и диспрозия проводят при 900°C, выдержку расплава после завершения процесса магниетермического получения композита Zr-Hf-Dy проводят при 900°C в течение 30 минут. Плав обрабатывают раствором 20 г/л NH4Cl, как и в опыте №1. Отмытый порошок сушат при комнатной температуре. Получают однофазный порошковый композит Zr-Hf-Dy, в котором диспрозий входит в твердый раствор Zr-Hf. Выход металлов в готовый продукт составляет 99,8%. В шести отобранных из порошка пробах относительное отклонение содержания циркония, гафния и диспрозия от среднего значения не превышает 1,5%.
Пример 3. В реакционный сосуд (как в опыте №1) загружают шихту, содержащую хлориды циркония, гафния, гадолиния и калия. Содержание гадолиния в композите Zr-Hf-Gd составляет 4 масс.%, гафния - 20 масс.%, содержание композита Zr-Hf-Gd в шихте составляет 20 масс.%. Магниетермическое восстановление хлоридов гафния и гадолиния проводят при температуре 900°C. Выдержку расплава с композитом осуществляют также при температуре 900°C в течение 30 минут. Плав обрабатывают раствором 20 г/л NH4Cl при температуре 40°C в течение 60 минут. Получен однофазный порошковый композит Zr-Hf-Gd, в котором гадолиний входит в твердый раствор Zr-Hf. Выход металлов в готовый продукт составляет 99,7%. В шести отобранных из порошка пробах относительное отклонение содержания циркония, гафния и диспрозия от среднего значения не превышает 1,7%.
Пример 4. В реакционный сосуд (как в опыте №1) загружают шихту, содержащую хлорид хрома, хлорид вольфрама, хлорид тантала, хлорид диспрозия и хлорид калия. Содержание вольфрама в композите Cr-W-Ta-Dy составляет 14 масс.%, тантала 1 масс.%, диспрозия 3 масс.%, содержание композита Cr-W-Ta-Dy в шихте составляет 20 масс.%. Восстановление хлоридов проводят при температуре 850°C, выдержку порошкового композита после его получения осуществляют при температуре 850°C в течение 30 мин. Плав обрабатывают раствором 50 г/л NH4Cl при температуре 50°C в течение 60 минут. Получают двухфазный порошковый композит, представляющий твердый раствор тантала и диспрозия в фазе хрома (Cr-Ta-Dy) и вольфрам (W). Выход металлов в готовый продукт составляет 99,4%. В шести отобранных из порошка пробах относительное отклонение содержания хрома, вольфрама, тантала, диспрозия от среднего значения не превышает 2,1%.
Claims (2)
1. Способ получения композиционных порошков тугоплавких и редкоземельных металлов, включающий магниетермическое восстановление хлоридов металлов в расплаве хлористого калия при нагревании и перемешивании, гидрометаллургическую обработку восстановленной реакционной массы с получением порошка, сушку порошка, отличающийся тем, что восстановленную реакционную массу выдерживают без перемешивания в течение не менее 30 минут при 800-900°C и затем охлаждают, при этом гидрометаллургическую обработку проводят раствором хлористого аммония с концентрацией 10-50 г/л при температуре не более 40-50°C в течение 30-60 минут.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание редкоземельных металлов в порошке составляет не более 6 мас.%.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013157152/02A RU2538794C1 (ru) | 2013-12-23 | 2013-12-23 | Способ получения композиционных порошков тугоплавких и редкоземельных металлов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013157152/02A RU2538794C1 (ru) | 2013-12-23 | 2013-12-23 | Способ получения композиционных порошков тугоплавких и редкоземельных металлов |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2538794C1 true RU2538794C1 (ru) | 2015-01-10 |
Family
ID=53288191
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013157152/02A RU2538794C1 (ru) | 2013-12-23 | 2013-12-23 | Способ получения композиционных порошков тугоплавких и редкоземельных металлов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2538794C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2680339C1 (ru) * | 2018-01-23 | 2019-02-19 | Общество с ограниченной ответственностью "МЕТСИНТЕЗ" | Способ получения ультра- и нанодисперсных порошков тугоплавких карбидов переходных металлов iv и v подгрупп |
RU2807156C1 (ru) * | 2023-01-29 | 2023-11-09 | Михаил Андреевич Вертен | Способ изготовления композиционного материала для износостойкого покрытия |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2416493C1 (ru) * | 2009-12-15 | 2011-04-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Способ получения порошков редких металлов |
-
2013
- 2013-12-23 RU RU2013157152/02A patent/RU2538794C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2416493C1 (ru) * | 2009-12-15 | 2011-04-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Способ получения порошков редких металлов |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2680339C1 (ru) * | 2018-01-23 | 2019-02-19 | Общество с ограниченной ответственностью "МЕТСИНТЕЗ" | Способ получения ультра- и нанодисперсных порошков тугоплавких карбидов переходных металлов iv и v подгрупп |
RU2807156C1 (ru) * | 2023-01-29 | 2023-11-09 | Михаил Андреевич Вертен | Способ изготовления композиционного материала для износостойкого покрытия |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6522249B2 (ja) | 固溶体中で、その中に溶在する酸素を有する金属を脱酸素化する方法 | |
TW587101B (en) | High purity niobium and products containing the same, and methods of making the same | |
JP6886046B2 (ja) | 多段・高度還元による高融点金属粉末の製造方法 | |
ES2751656T3 (es) | Procedimientos para la producción de aleaciones basadas en níquel que contienen cromo y cromo más niobio de bajo contenido de nitrógeno y esencialmente libres de nitruro | |
US11193185B2 (en) | Producing titanium alloy materials through reduction of titanium tetrachloride | |
Kayanuma et al. | New recovery process for rhodium using metal vapor | |
JP2012041588A (ja) | 塩化揮発法による希土類元素の分離方法及び分離システム | |
US20100064852A1 (en) | Method for purification of metal based alloy and intermetallic powders | |
KR20150002162A (ko) | 자전연소반응을 이용한 티타늄 합금의 제조방법 | |
Savchenkov et al. | Research on the process of gadolinium recovery from the melt of salts on formation of Mg–Zn–Gd master alloys for manufacturing of magnesium and aluminium special-purpose alloys | |
KR101284081B1 (ko) | 금속 칼슘 및 진공용해를 이용한 저산소 티타늄 잉곳의 제조방법 | |
RU2538794C1 (ru) | Способ получения композиционных порошков тугоплавких и редкоземельных металлов | |
Serwale et al. | Purification of crude titanium powder produced by metallothermic reduction by acid leaching | |
Mirji et al. | Technological challenges in extractive metallurgy and refining of Nb, Ta and preparation of their compounds & alloys | |
Harata et al. | Production of scandium and Al–Sc alloy by metallothermic reduction | |
Yoon | The fabrication of niobium powder by sodiothermic reduction process | |
Batra et al. | Hydride embrittlement and oxidation resistance of some Zr–Nb–Y alloys | |
CN111558713B (zh) | 一种小粒度钛粉的降氧方法 | |
Guo et al. | Preparation of low-oxygen-containing Ti–48Al–2Cr–2Nb alloy powder by direct reduction of oxides | |
RU2655560C1 (ru) | Способ получения порошка сплава молибдена и вольфрама | |
Nersisyan et al. | Shape-controlled synthesis of titanium microparticles using calciothermic reduction concept | |
RU2416493C1 (ru) | Способ получения порошков редких металлов | |
Pylypenko et al. | Effect of iron additives on the properties of Zr1% Nb alloy | |
Zhang et al. | Employing magnesium-lead melt for synergetic and selective extraction of copper from copper-cobalt alloy | |
TWI548751B (zh) | 釔的純化方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191224 |