RU2638471C2 - Method for producing powder of titanium carbonitride - Google Patents

Method for producing powder of titanium carbonitride

Info

Publication number
RU2638471C2
RU2638471C2 RU2016114851A RU2016114851A RU2638471C2 RU 2638471 C2 RU2638471 C2 RU 2638471C2 RU 2016114851 A RU2016114851 A RU 2016114851A RU 2016114851 A RU2016114851 A RU 2016114851A RU 2638471 C2 RU2638471 C2 RU 2638471C2
Authority
RU
Grant status
Grant
Patent type
Prior art keywords
titanium
reactor
powder
titanium carbonitride
stream
Prior art date
Application number
RU2016114851A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2016114851A (en )
Inventor
Николай Васильевич Алексеев
Андрей Владимирович Самохин
Юрий Владимирович Цветков
Дмитрий Евгеньевич Кирпичев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Grant date

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER
    • B22F9/00Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/16Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes
    • B22F9/18Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes with reduction of metal compounds
    • B22F9/28Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes with reduction of metal compounds starting from gaseous metal compounds
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/06Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron
    • C01B21/076Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron with titanium or zirconium or hafnium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22BPRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B34/00Obtaining refractory metals
    • C22B34/10Obtaining titanium, zirconium or hafnium
    • C22B34/12Obtaining titanium or titanium compounds from ores or scrap by metallurgical processing; preparation of titanium compounds from other titanium compounds see C01G23/00 - C01G23/08

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: method includes generating a thermal plasma stream in a plasma reactor with a limited jet stream, feeding titanium tetrachloride vapour, a gaseous hydrocarbon and nitrogen to the thermal plasma stream, ensuring their interaction, depositing the titanium carbonitride powder onto the walls of the reactor at a temperature in the range of 300-700°C and then deleting it.
EFFECT: decreasing the content of chlorine impurities in the powder.
1 ex

Description

Изобретение относится к области порошковой металлургии. The invention relates to the field of powder metallurgy. Карбонитрид титана обладает уникальной совокупностью физико-химических и физико-механических характеристик: высокими значениями температуры плавления, теплопроводности, химической стабильности, твердости, прочности, в том числе и при высоких температурах [Hugh О. Pierson. Titanium carbonitride has a unique set of physical, chemical and physico-mechanical characteristics: high values ​​of melting temperature, thermal conductivity, chemical stability, hardness, strength, including at high temperatures [Hugh G. Pierson. Handbook of Refractory Carbides and Nitrides. Handbook of Refractory Carbides and Nitrides. Properties, Characteristics, Processing and Applications. Properties, Characteristics, Processing and Applications. William Andrew Publ., 1997, 362 pp.]. William Andrew Publ., 1997, 362 pp.]. Эти свойства обусловливают широкое применение материалов на основе карбонитрида титана в различных технических приложениях, в частности в производстве режущего инструмента, износостойких деталей и покрытий, модификаторов металлов и сплавов и др. Для получения материалов и изделий на основе карбонитрида титана используются методы порошковой металлургии (за исключением нанесения покрытий осаждением из газовой фазы). These properties cause widespread use materials based on titanium carbonitride in various technical applications, particularly in the manufacture of cutting tools, wear parts and a coating modifier metals and alloys, and others. For materials and products based on titanium carbonitride using the methods of powder metallurgy (except coating deposition from the gas phase).

Известны способы получения порошков карбонитрида титана, в том числе в потоках термической плазмы электрических разрядов при использовании в качестве сырья тетрахлорида титана. Known processes for preparing powders of titanium carbonitride, including streams thermal plasma electrical discharge when used as a raw material titanium tetrachloride.

Известен способ получения нанопорошка карбонитрида титана в потоке азотной плазмы, генерируемой СВЧ-плазмотроном, из реакционной парогазовой смеси, содержащей пары тетрахлорида титана, водород и углеводороды. A method of producing titanium carbonitride nanopowder in a stream of nitrogen plasma generated by a microwave plasma torch, from a reaction gas mixture containing titanium tetrachloride vapor, hydrogen and hydrocarbons. Способ обеспечивает получение нанопорошка карбонитрида титана состава TiC 0,5-0,7 N 0,5-0,3 с размером частиц до 50 нм. The process provides a composition nanopowder titanium carbonitride TiC N 0,5-0,7 0,5-0,3 with particle size of 50 nm. [Батенин В.М., Климовский И.И., Лысов Г.В., Троицкий В.Н. [Batenin VM Klimovskii II, Lisov GV Troitsky VN Получение ультрадисперсных нитридов в плазме СВЧ-разряда. Preparation of ultrafine nitride microwave plasma discharge. В кн. Proc. СВЧ-генераторы плазмы: Физика, техника, применение. microwave plasma generators: physics, technology, application. Энергоатомиздат, 1988, с. Energoatomizdat, 1988, p. 197-202]. 197-202].

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ получения субмикронного порошка карбида титана (патент США №3812239, 1974 г.), в котором синтез карбида титана осуществляется при взаимодействии галогенида титана (в частности, тетрахлоридом титана) с углеводородом в потоке водородсодержащей термической плазмы. The closest to the proposed technical essence and attainable result is a method for preparing submicron titanium powder (U.S. Patent №3812239, 1974 YG) carbide, wherein the synthesis of titanium carbide is performed by reacting titanium halide (in particular, titanium tetrachloride) with the hydrocarbon stream in hydrogenous thermal plasma. Выделение частиц полученного карбида титана происходит на фильтре после охлаждения газодисперсного потока. Isolation of the particles obtained titanium carbide takes place on a filter after cooling the gas-dispersed flow.

Общим недостатком приведенных выше способов является неизбежное присутствие в получаемом порошке карбонитрида и карбида титана примесей хлора, связанных с сорбцией субмикронными частицами карбида титана молекул хлористого водорода, который является продуктом реакции восстановления исходного тетрахлорида титана водородом. A common disadvantage of the above methods is the inevitable presence in the resulting powder carbonitride and titanium carbide chlorine impurities associated with sorption of submicron particles of titanium carbide molecules of hydrogen chloride which is the product of the reduction reaction of the starting titanium tetrachloride with hydrogen. Помимо хлористого водорода частицы карбида титана могут сорбировать молекулы хлоридов титана в случае неполного превращения исходного галогенида титана в целевой продукт. Besides hydrogen chloride titanium carbide particles can sorb molecules titanium chlorides in the case of incomplete conversion of the starting halide of titanium in the desired product.

Техническим результатом изобретения является снижение содержания примесей общего хлора в порошках карбонитрида титана, получаемых из тетрахлорида титана в термической плазме электрических разрядов. The technical result of the invention is to reduce the total chlorine content of impurities in the powders of titanium carbonitride obtained from titanium tetrachloride in the thermal plasma electrical discharge.

Для достижения технического результата известный способ получения предлагается проводить в реакторе с ограниченным струйным течением (например, патент РФ №2311225, 2007 г.), в котором стенки, на которые осаждается порошок, имеют температуру в диапазоне 300-700°С и процесс состоит из последовательности циклов, включающих следующие стадии: 1 - проведение процесса с участием всех реагентов; To achieve the technical result, the known method is proposed to conduct a receiving reactor with limited jet stream (e.g., RF Patent №2311225, 2007), in which the wall on which is deposited powder have a temperature in the range 300-700 ° C and the process comprises a sequence of cycles comprising the following steps: 1 - carrying out process with all of the reagents; 2 - выдержка осажденного в реакторе порошка в газовой среде при работающем плазмотроне без подачи тетрахлорида титана и углеводорода; 2 - extract the powder precipitated in the reactor in the gaseous medium during operation plasmatron without supplying titanium tetrachloride and the hydrocarbon; 3 - удаление порошка со стенок реактора, проводимое также при отсутствии подачи тетрахлорида титана и углеводорода. 3 - removal of powder from the walls of the reactor, carried out in the absence of supplying titanium tetrachloride and the hydrocarbon.

Отличительной особенностью и преимуществом предложенного способа является повышенная температура поверхности осаждения порошка в реакторе и цикличность процесса, воспроизводящего стадии, включающие синтез порошка целевого продукта, его осаждение на стенках реактора, термообработку порошкообразного продукта в атмосфере, не содержащей соединений хлора и обеспечивающей десорбцию соединений хлора с поверхности частиц и тем самым очистку целевого продукта, который затем удаляется со стенок в емкость-сборник. The distinctive feature and advantage of the proposed method is the increased surface temperature of the deposition of powder in the reactor and cyclical process, the reproducing step comprising the synthesis of the desired product powder, its deposition on the reactor walls, heat-treated powdery product in an atmosphere containing no chlorine compounds, providing the desorption of chlorine compounds from the surface particles and thereby clean the desired product, which is then removed from the walls in the collecting container.

Температура стенок реактора, на которую осаждается получаемый порошковый продукт, должна находиться в диапазоне 300-700°С, при более низких температурах уменьшается скорость десорбции, что требует увеличения времени соответствующей стадии процесса и, соответственно, снижает эффективность процесса в целом. The temperature of the reactor walls, on which is deposited the resulting powder product should be in the range 300-700 ° C, at lower temperatures decreases the rate of desorption, that requires an increase in time corresponding process steps and, consequently, reduces the efficiency of the overall process. При температурах выше 700°С будет происходить спекание частиц порошка, снижающее его качество. At temperatures above 700 ° C will proceed sintering of the powder particles, reducing its quality. Эффект спекания может особенно проявляться при получении наноразмерных порошков. sintering effect can be manifested especially in the preparation of nanosized powders.

Предлагаемый процесс реализуется следующим образом. The proposed process is realized as follows. В электроразрядный генератор термической плазмы (электродуговой, высокочастотный, сверхвысокочастотный, комбинированный) при синтезе карбида титана подается смесь водорода с азотом, при этом в смеси может присутствовать и инертный газ. The electric-thermal plasma generator (electric, high-frequency, a microwave, combined) in the synthesis of titanium carbide is fed a mixture of hydrogen and nitrogen, and wherein the inert gas may be present in the mixture. В плазменном генераторе при прохождении через электрический разряд газы нагреваются и формируется поток термической плазмы. In the plasma generator while passing through the electrical discharge gases and heat generated thermal plasma stream. На выходе из плазмотрона в этот поток вводятся пары тетрахлорида титана и углеводорода с возможными добавками азота, водорода и инертных газов. On leaving the plasma generator in this stream are entered titanium tetrachloride vapor and a hydrocarbon with possible additions of nitrogen, hydrogen and inert gases. В результате химического взаимодействия указанных компонентов в высокотемпературном потоке происходит образование частиц карбонитрида титана, которые осаждаются на стенке реактора и образуют слой порошка. As a result of chemical interaction of these components in high-temperature stream is formed of titanium carbonitride, which are deposited on the reactor wall and form a powder layer. По истечении определенного времени прекращается подача паров тетрахлорида титана, одновременно прекращается и подача углеводорода. After a certain time, disconnecting the supply of titanium tetrachloride vapor at the same time stopped and the hydrocarbon feed. Газовая среда в реакторе при этом состоит из смеси водорода с азотом при возможном присутствии инертного газа, что обеспечивает при указанных выше температурах в слое порошка (300-700°С) десорбцию хлорсодержащих соединений - хлористого водорода и хлоридов титана с поверхности частиц, снижая тем самым содержание примесей общего хлора в целевом продукте. The gaseous medium in the reactor thus consists of a mixture of hydrogen and nitrogen, with the possible presence of an inert gas that provides at temperatures above the powder layer (300-700 ° C) the desorption of chlorine compounds - hydrogen chloride and titanium chloride with a particle surface, thereby reducing total chlorine content of impurities in the final product. Прекращение подачи тетрахлорида титана и углеводорода происходит в течение некоторого определенного времени, по истечении которого полученный порошок удаляется со стенок реактора механическим или газодинамическим методом в сборник целевого продукта. Loss of titanium tetrachloride and the hydrocarbon takes place within a certain time, after which the resulting powder was removed from the reactor walls mechanically or by a gas-dynamic collection of the desired product. После завершения стадии очистки реактора возобновляется подача тетрахлорида титана и углеводорода. After completion of the purification stage reactor is renewed the supply of titanium tetrachloride and the hydrocarbon. Указанный цикл повторяется до остановки процесса в целом. This cycle is repeated until the stop of the whole process.

Реализация способа представлена следующим примером. Implementation of the method is presented by the following example.

Пример. Example.

Процесс получения нанопорошка карбонитрида титана проводится в плазменном реакторе с ограниченным струйным течением при соотношении (диаметр реактора)/(диаметр сопла электродугового плазмотрона) = 20. Поток термической плазмы генерируется в электродуговом плазменном генераторе при нагреве смеси водорода, азота и аргона (35 об. % Н 2 , 28 об. % N 2 , 37 об. % Ar), подаваемой с расходом 2.4 м 3 /ч (норм. усл.). The process of obtaining titanium carbonitride nanopowder is carried out in a plasma reactor with limited jet stream at a ratio (diameter of the reactor) / (the diameter of the arc plasma torch nozzle) = 20. The thermal plasma flow generated in the electric arc plasma generator by heating a mixture of hydrogen, nitrogen, and argon (35 vol.% h 2, 28 vol.% N 2, 37 about.% Ar), fed at a rate of 2.4 m 3 / h (norm. cond.). Полезная энтальпия плазменного потока составляет 4.6 кВтч/м 3 (норм. усл.). Useful enthalpy of the plasma stream is 4.6 kWh / m 3 (norm. Cond.). В плазменный поток подаются пары тетрахлорида титана с расходом 0.2 кг/ч, метан с расходом 0.014 м 3 /ч (норм. усл.) и азот с расходом 0.57 м 3 /ч (норм. усл.) при температуре 160°С. The plasma stream is fed titanium tetrachloride vapor at a rate of 0.2 kg / h, the methane flow rate 0.014 m 3 / h (norm. Cond.) And nitrogen with a flow rate of 0.57 m3 / h (norm. Conv.) At a temperature of 160 ° C. В результате реакции происходит образование наночастиц карбонитрида титана, которые осаждаются на стенке реактора, имеющей среднюю температуру 650°С. The reaction occurs formation of nanoparticles of titanium carbonitride are deposited on the reactor wall, having an average temperature of 650 ° C. По истечении 30 минут подача тетрахлорида прекращается и в течение последующих 10 минут в реактор поступает только смесь водорода, азота и аргона, нагретая в плазмотроне, а затем в течение 1 минуты проводится очистка стенок реактора от нанопорошка, который поступает в сборник целевого продукта. After 30 minutes feeding tetrachloride stops and during the next 10 minutes the reactor is supplied only to a mixture of hydrogen, nitrogen and argon, heated in a plasma torch, and then held for 1 minute cleaning the reactor walls from nanopowder which enters the collection of the desired product. Полученный нанопорошок является карбонитридом титана (содержание углерода - 7.8 мас. %, содержание азота 12.8 мас. %) с удельной поверхностью 15 м 2 /г, содержание общего хлора в целевом продукте по результатам химического анализа составляет менее 0.1 массовых процента. The resulting nanopowder is titanium carbonitride (carbon content -.. 7.8 wt%, a nitrogen content of 12.8 wt%) having a specific surface of 15 m 2 / g, total chlorine content in the final product by chemical analysis is less than 0.1 weight percent.

Claims (1)

  1. Способ получения порошка карбонитрида титана, включающий генерирование потока термической плазмы в плазменном реакторе с ограниченным струйным течением, подачу в поток термической плазмы паров тетрахлорида титана, газообразного углеводорода и азота с обеспечением их взаимодействия и осаждение порошка карбонитрида титана на стенки реактора с последующим его удалением, отличающийся тем, что порошок карбонитрида титана осаждают на стенки реактора с температурой в диапазоне 300-700°С. The method for producing powder titanium carbonitride comprising generating a thermal plasma flow in a plasma reactor with limited jet stream, feeding a stream of the thermal plasma vapor of titanium tetrachloride, a hydrocarbon gas, and nitrogen with ensuring their interaction and depositing powder of titanium carbonitride on the reactor walls followed by its removal, wherein in that titanium carbonitride powder is deposited on the wall of the reactor at a temperature in the range 300-700 ° C.
RU2016114851A 2016-04-18 2016-04-18 Method for producing powder of titanium carbonitride RU2638471C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016114851A RU2638471C2 (en) 2016-04-18 2016-04-18 Method for producing powder of titanium carbonitride

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016114851A RU2638471C2 (en) 2016-04-18 2016-04-18 Method for producing powder of titanium carbonitride

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2016114851A true RU2016114851A (en) 2017-10-23
RU2638471C2 true RU2638471C2 (en) 2017-12-13

Family

ID=60153649

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016114851A RU2638471C2 (en) 2016-04-18 2016-04-18 Method for producing powder of titanium carbonitride

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2638471C2 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3812239A (en) * 1969-09-25 1974-05-21 Ppg Industries Inc Preparation of submicron titanium carbide
US3979500A (en) * 1973-05-02 1976-09-07 Ppg Industries, Inc. Preparation of finely-divided refractory powders of groups III-V metal borides, carbides, nitrides, silicides and sulfides
US4022872A (en) * 1975-11-12 1977-05-10 Ppg Industries, Inc. Process for preparing finely-divided refractory powders
US5147831A (en) * 1990-03-14 1992-09-15 Treibacher Chemische Werke Aktiengesellschaft Method for producing a fine grained powder consisting of nitrides and carbonitrides of titanium
RU2311225C1 (en) * 2006-04-05 2007-11-27 Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН Plasma device for producing nano-powders

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3812239A (en) * 1969-09-25 1974-05-21 Ppg Industries Inc Preparation of submicron titanium carbide
US3979500A (en) * 1973-05-02 1976-09-07 Ppg Industries, Inc. Preparation of finely-divided refractory powders of groups III-V metal borides, carbides, nitrides, silicides and sulfides
US4022872A (en) * 1975-11-12 1977-05-10 Ppg Industries, Inc. Process for preparing finely-divided refractory powders
US5147831A (en) * 1990-03-14 1992-09-15 Treibacher Chemische Werke Aktiengesellschaft Method for producing a fine grained powder consisting of nitrides and carbonitrides of titanium
RU2311225C1 (en) * 2006-04-05 2007-11-27 Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН Plasma device for producing nano-powders

Also Published As

Publication number Publication date Type
RU2016114851A (en) 2017-10-23 application

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3340020A (en) Finely dispersed carbides and process for their production
Vahlas et al. Principles and applications of CVD powder technology
Tong et al. Synthesis of titanium carbide nano-powders by thermal plasma
US5958106A (en) Method of making metals and other elements from the halide vapor of the metal
Kim et al. Large-scale production of single-walled carbon nanotubes by induction thermal plasma
US3974245A (en) Process for producing free flowing powder and product
US5087434A (en) Synthesis of diamond powders in the gas phase
US5851507A (en) Integrated thermal process for the continuous synthesis of nanoscale powders
US5744657A (en) Process for the preparation of perfluorocarbons
US20040245088A1 (en) System, method, and apparatus for continuous synthesis of single-walled carbon nanotubes
US3532462A (en) Method of effecting gas-phase reactions
US3252823A (en) Process for aluminum reduction of metal halides in preparing alloys and coatings
US5403375A (en) Fine-particle metal powders
US3625846A (en) Chemical process and apparatus utilizing a plasma
US20050211018A1 (en) Process for plasma synthesis of rhenium nano and micro powders, and for coatings and near net shape deposits thereof and apparatus therefor
Kim et al. Synthesis of nanosized tungsten carbide powder by the chemical vapor condensation process
US20030108459A1 (en) Nano powder production system
US5356120A (en) Device for producing finely-divided metal and ceramic powder
US5510098A (en) CVD method of producing and doping fullerenes
US7288501B2 (en) Process and apparatus for the thermal treatment of pulverulent substances
US5384306A (en) Fine-particle oxide ceramic powders
US3211548A (en) Process for the production of tantalum or niobium in a hydrogen plasma jet
US5407458A (en) Fine-particle metal powders
US5369241A (en) Plasma production of ultra-fine ceramic carbides
US6409851B1 (en) Microwave plasma chemical synthesis of ultrafine powders