СИНТЕЗ ПОРОШКА СЛОЖНОГО КАРБОНИТРИДА ТИТАНА-НИОБИЯ СОСТАВА Тi0,77Nb0,23C0,5N0,5 В РЕЖИМЕ СВС-Аз

Карбонитриды переходных металлов, в так же сложный карбонитрид титана-ниобия состава Ti_0,77 Nb_0,23C_0,5N_0,5, относятся к соединениям переменного состава имеющих плотноупакованную подрешетку чистого металла, которая служит матрицей для различных атомов, внедряющихся в ее межузельные пустоты и образующих неметаллическую подрешетку.

Фазами внедрения в металлическую подрешетку карбонитрида титана-ниобия служат атомы углерода и атомы азота, которые придают новому материалу комплекс уникальных свойств.

К таким свойствам относят высокую температуру плавления карбонитридов, высокая твердость с более большой пластичностью, в сравнении с карбидами, высокая износостойкость и механическая прочность. Карбонитрид титана-ниобия сохраняет свои эксплуатационные свойства при повышенных температурах.

Одним из способов получения данного порошка стала азидная технология СВС-Аз (самораспространяющийся высокотемпературный синтез с применением азотосодержащих соединений). Применение твердых азотирующих реагентов, позволяет получать высокочистые, безкислородные тугоплавкие соединения. Чтобы обеспечить стабильное качество производства порошков карбонитрида и сохранить необходимую концентрацию реагирующих веществ в продукте синтеза, добавляем в исходную шихту азид натрия NaN3 для про реагирования реакции в целом.

Для СВС метода характерны такие процессы, как самоочистка целевых продуктов в процессе горения. Так же, в шихту вносятся и посторонние примеси. Это и различные окислы, водород, адсорбированные газы, соединения углерода, примеси более легкоплавких металлов и тому подобное.

При высоких температурах легкокипящие примеси вместе с газообразными продуктами синтеза покидают целевой продукт.

Кроме того, некоторые тугоплавкие оксиды и фториды с металлами образуют субооксиды и субфториды, которые легко переходят из одного состояния в другое, целевого продукта.

Таким образом, вынужденно вводя в исходную шихту какое-то количество примесей с компонентами, в конечном итоге получается целевой продукт без этих примесей или их количество значительно уменьшается. В процессах СВС-Аз активную роль играет водород содержащийся в применяемых аммонийных солях. Он восстанавливает окислы металлов.

Исходя из уравнений процесса СВС-Аз, для получения порошка сложного карбонитрида титана-ниобия состава Ti_0,77Nb_0,23C_0,5N_0,5 можно рекомендовать следующее наиболее простое стехиометрическое уравнение химической реакции:

0,77Ti+0,23Nb+0,5C+0,1666NaN₃+0,1666NH₄F=Ti_0,77Nb_0,23C_0,5N_0,5+0,1666NaF+0,33H ₂+0,33N₂

(1.1)

В уравнении, вместо фторида аммония можно было бы использовать хлорид аммония, но он недостаточно активен для ускорения СВС-процесса с таким пассивным элементом, как ниобий, в тоже время активные соединения фтора легко взаимодействует с окисной пленкой металлов и разрушает ее.

В процессе исследований технологических параметров синтеза Ti_0,77Nb_0,23C_0,5N_0,5 измерялись температура и скорость горения системы «Ti – Nb – С – NaN₃ – NH₄F», которые составили 1810 К, и 4,2 мм/сек при условии синтеза: давлении азота 4,0 МПа, диаметре образца 30мм, высоте 45мм, относительной плотности шихты – 0,4, стехиометрическом соотношении компонентов, размере частиц компонентов исходной шихты менее 63 мкм. Синтез проводился в лабораторном реакторе c рабочим объемом 4,5 литра [2,347].

Проведен микроструктурный анализ порошка сложного карбонитрида титан-ниобий.

На рисунках 1 - 2 представлены фотографии непромытого порошка сложного карбонитрида титана-ниобия состава Ti_0,77Nb_0,23C_0,5N_0,5 полученного с использованием СВС-Аз системы «титан –ниобий– углерод – азид натрия – фторид аммония» в оптимальных условиях синтеза. Снимки сделаны на сканирующем электронном микроскопе JEOL JSM-6390А.

Рисунок 1. Микроструктура порошка сложного карбонитрида состава Ti _0,77 Nb _0,23 C _0,5 N _0,5 при увеличении X25,000

На рисунке 1 мы видим, что при более сильном увеличении, карбонитрид титана-ниобия представляет собой округлые частицы с размерами от 60 нм. На снимке других частиц не обнаружено. Для точного распознования состава частиц необходимо провести энергодисперсионный анализ.

Рисунок 2. Микроструктура порошка сложного карбонитрида состава Ti _0,77 Nb _0,23 C _0,5 N _0,5 при увеличении X10,000

На рисунке 2 показан мелкодисперсный состав целевого продукта с размерами частиц 500-300 нм.

Вводимые исходные порошки были размерами 0-0,63 мкм, а конечный продукт, в основном представляет собой в районе 60 нм, то это говорит о полноте протекания реакции между исходными компонентами и образования нового продукта с более мелкими размерами частиц.

Так же получена рентгенограмма порошка карбонитрида.

Рисунок 3. Рентгенограмма порошка сложного карбонитрида состава Ti _0,77 Nb _0,23 C _0,5 N _0,5

Как показывает рентгенограмма порошка сложного карбонитрида титана-ниобия, целевой продукт не содержит примесей NaF. А целевой порошок представляет собой композицию из карбонитрида титана, карбонитрида ниобия и частиц свободного титана.

Результаты проведенных исследований показывают, что порошок сложного карбонитрида титана-ниобия заданного состава и высокого качества можно получать с помощью технологии СВС-Аз.

Список литературы:

1. Амосов А. П., Бичуров Г.В. Азидная технология СВС микро- и нанопорошков нитридов. М.: Машиностроение-1, 2007.-526с.
2. Панов B.C., Чувилин A.M., Фальковский В.А. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них. Учебное пособие для вузов. - 2-е изд. доп. и перераб. / -М.: МИСИО,2004.-464с.