Способ получения тугоплавкого неорганического материала в режиме горения

(51) 22 1/04 (2006.01) 22 9/16 (2006.01) 01 35/04 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ а именно боридов переходных металлов, синтезом в режиме горения, которые могут быть использованы в авиационной,станкостроительной и обрабатывающей промышленности, а также в цветной металлургии. Способ получения тугоплавкого неорганического материала в режиме горения на воздухе, включает перемешивание в планетарно-центробежной мельнице компонентов шихты - обогащенную боратовую руду (31,2-32,0) масс. , циркон (28,0 38,8) масс. , и алюминий (30,0-40,0) масс. ,формование смеси и ее воспламенение. В результате реализации способа получают тугоплавкий неорганический материал, обладающий прочностью на сжатие 17,10-29,92 МПа и огнеупорностью 2850-3110 С.(72) Абдулкаримова Роза Габдуловна Камунур Кастер Раимханова Данара Сериковна Мансуров Зулхаир Аймухаметович(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Институт проблем горения Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТУГОПЛАВКОГО НЕОРГАНИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА В РЕЖИМЕ ГОРЕНИЯ(57) Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения порошков тугоплавких неорганических соединений, 31059 Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения порошков тугоплавких неорганических соединений,а именно боридов переходных металлов, синтезом в режиме горения, которые могут быть использованы в авиационной,станкостроительной и обрабатывающей промышленности, а также в цветной металлургии. Известен способ получения тонкодисперсного монокристаллического порошка диборида металла,включающий смешивание порошка металлагруппы с бором, фторидом лития, калия, натрия или их смеси в количестве 0,81-1,96 молей на моль целевого продукта, брикетирование смеси, ее воспламенение и синтез в режиме горения. (РФ Патент 2087262, кл. В 22 9/16, С 01 В 35/04, опубл. 20.08.97). Недостатком известного технического решения является пониженная дисперсность порошков диборидов металловгруппы. Известен способ получения литого тугоплавкого неорганического материала в режиме горения,включающий перемешивание шестивалентного оксида хрома, оксида титана, оксида бора и алюминия, формование смеси и ее воспламенение при этом, синтез в режиме горения проводят в реакторе при давлении 40 атм. (РФ Патент 2016111, кл. С 22 С 1/04, опубл. 15.07.94, бюл 13). Недостатком известного технического решения является пониженная дисперсность, огнеупорность и прочность на сжатие, получаемых порошков диборидов металлов, а также использование токсичных компонентов в виде оксида шестивалентного хрома. Наиболее близким техническим решением к заявляемому,является способ получения тугоплавкого неорганического материала в режиме горения, включает перемешивание в планетарноцентробежной мельнице, (31, - 32,0) масс.оксидов металловигрупп, а именно либо оксида 3-х валентного хрома, либо оксида титана,(28,0-38,8) масс.оксида бора и (30,0-40,0) масс.алюминия, формование смеси и ее воспламенение при этом, синтез в режиме горения проводят на воздухе с последующей закалкой.(РК Инновационный Патент 27055, МПК С 22 С 1/04,В 22 9/16, С 01 В 35/04, опубл.14.06.2013, бюл 6). Недостатком известного технического решения является пониженная,огнеупорность и тугоплавкость получаемого неорганического материала, а также использование чистых дорогостоящих компонентов. Задачей заявляемого технического решения является разработка экономичного способа получения тугоплавкого неорганического материала в режиме горения, техническим эффектом которой является использование природного сырья Республики Казахстан, повышенная огнеупорность и тугоплавкость. Задача решается тем, что способ получения тугоплавкого неорганического материала в режиме горения на воздухе, включает перемешивание в 2 планетарно-центробежной мельнице компонентов шихты - обогащенную боратовую руду (31,2 - 32,0) масс. , циркон (28,0 - 38,8) масс. , и алюминий(30,0 - 40,0) масс. , формование смеси и ее воспламенение. Отличительным признаком заявляемого технического решения является то, что в качестве оксида бора используют обогащенную боратовую руду, а в шихту дополнительно вводят циркон при следующем соотношении компонентов, масс.обогащенная боратовая руда 31,2 - 32,0 циркон 28,0 - 38,8 алюминий 30,0 - 40,0 В заявляемом способе в качестве оксида бора используют обогащенную боратовую руду Индерского месторождения РК, в отличие от известного способа, в котором используют чистый оксид бора. В связи с тем, что боратовая руда Индерского месторождения отличается значительным содержанием гипса, проводят ее обогащение перед использованием. Обогащенная боратовая руда Индерского месторождения содержит до 40 оксида бора (В 2 О 3). Использование циркона (4) в заявляемом техническом решении определено тем, что его основной составляющей является цирконий тугоплавкий металл. Кроме того, циркон является природным сырьем Обуховского месторождения Республики Казахстан. Перемешивая компоненты смеси в планетарноцентробежной мельнице, относящейся к мельницам активаторам динамического действия,осуществляют механическую активацию компонентов, таким образом, обеспечивают помол компонентов с повышением их химической активности. Данные, полученные при рентгено - фазовом анализе (РФА) и электронно-микроскопическом исследовании, свидетельствуют о том, что при механической активации компонентов смеси в высокоэнергетической планетарной шаровой мельнице происходит значительное диспергирование реагентов, увеличивается площадь их контакта и создается высокая концентрация неравновесных дефектов и внутренних напряжений. Кроме того, при активации происходит разрушение оксидных слоев и адсорбированных пленок на частицах компонентов смеси, которые являются серьезным диффузионным барьером для начала взаимодействия. Все эти факторы значительно увеличивают реакционную способность компонентов смеси и сокращают время синтеза конечного продукта. (М.А.Корчагин, Д.В.Дудина / Использование самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и механической активации для получения нанокомпозитов // Физика горения и взрыва, 2007 г., т. 43,2, с. 6667) Повышенная химическая активность компонентов смеси способствует росту температуры горения смеси при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе (СВС) и более активному взаимодействию компонентов смеси.(Е.Г. Авакумов / Механические методы активации химических процессов // Новосибирск Наука. 1980,- с. 190, 206). В результате термообработки экзотермической смеси в режиме горения получают керамическое изделие на основе тугоплавкого борида циркония(2), оксидов кремния и алюминия. Температура плавления борида циркония равна 3225 С, в отличие от борида хрома (СВ 2) 2200 С и борида титана(2) 2920 С являющимися основной составляющей известного технического решения. Таким образом, использование обогащенной боратовой руды и циркона в заявляемом способе получения тугоплавкого неорганического материала в режиме горения на воздухе, способствуют достижению технического эффекта поставленной задачи - повышение тугоплавкости и огнеупорности до 3110 С. При синтезировании неорганического материала в режиме горения на воздухе создают условия для образования микроструктур. Воздух является хорошим теплоотводом при высокотемпературных экзотермических реакциях, препятствуя спеканию микро- и наночастиц, образованных в процессе прохождения волны горения по образцу. Структурообразование материалов,синтезируемых в режиме горения, протекает в две стадии. В первой стадии тепловыделение от химических реакций приводит к саморазогреву гетерогенной среды до температуры плавления исходных компонентов. Высокая температура и наличие расплава создают благоприятные условия для процессов собирательной рекристаллизации, в частности образованию нитевидных наноструктур и микроструктур. РФА и электронномикроскопическое исследование показывают присутствие в конечном продукте наноразмерного нитевидного оксида алюминия, упрочняющего получаемый неорганический материал и повышающий его огнеупорность. Наноструктурированные неорганические материалы обладают повышенной огнеупорностью и прочностью на сжатие. (А.Е. Сычев, А.Г. Мержанов/ Самораспространяющийся высокотемпературный синтез наноматериалов // Успехи химии, т. 73, 2,2004, с. 162) Во второй стадии - стадии догорания дисперсность образца меняется в сторону увеличения, т.к. микроструктуры кристаллизуются. Таким образом, заявляемый способ позволяет получить тугоплавкий неорганический материала в режиме горения,представляющий собой микроструктуру диборида циркония, армированную нитевидным наноразмерным оксидом алюминия,что подтверждает РФА и электронномикроскопическое исследование. Количественное соотношение компонентов подобрано экспериментально. Синтезирование тугоплавкого неорганического материала в режиме горения сопровождается следующими химическими реакциями 422(7) Характеристики синтезированного тугоплавкого неорганического материала отражены в таблице 1. Способ получения тугоплавкого неорганического материала в режиме горения выполняют следующим образом.(16,6-19,4) г обогащенной боратовой руды, (30,040,0) г алюминия и (40,6-53,4) г циркона перемешивают в планетарно центробежной мельнице, формуют смесь и воспламеняют ее. Синтез в режим горения проводят на воздухе и после прохождении волны горения по образцу,получают тугоплавкий неорганический материал,обладающий прочностью на сжатие 17,1029,92 МПа и огнеупорностью 2850-3110 С. Конкретный пример выполнения заявляемого способа. 19,4 г обогащенной боратовой руды, 40,6 г циркона и 40,0 г алюминия перемешивают в планетарно-центробежной мельнице в течение 5 - ти минут, таким образом, получая активированную экзотермическую смесь. Формуют смесь в виде цилиндра диаметром 20 мм, длиной 30 мм, который поджигают магнием с помощью нихромовой спирали. Следствием прохождения волны горения по образцу,является образование микроструктурного тугоплавкого неорганического материала, в виде диборида циркония, с включением оксида кремния, армированного наноразмерным нитевидным оксидом алюминия,обладающего прочностью на сжатие 29,92 МПа и огнеупорностью 3110 С.(Левашов Е.А.,Рогачев А.С. / Перспективные материалы и технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. // М. МИССИС,2011. с. 46) Таблица 1 Состав Обогащенная боратовая руда О 4 А Размерность нитевидных кристаллов оксида алюминия 125-30 мкм 100-300 нм Состав Обогащенная боратовая руда 4 А Обогащенная боратовая руда 4 А Размерность нитевидных кристаллов оксида алюминия 110-25 мкм 55-200 нм ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ получения тугоплавкого неорганического материала в режиме горения на воздухе,включающий перемешивание в планетарноцентробежной мельнице компонентов шихты оксида бора и алюминия, формование смеси и ее воспламенение, отличающийся тем, что в качестве оксида бора используют обогащенную боратовую руду, а в шихту дополнительно вводят циркон при следующем соотношении компонентов, масс,- обогащенная боратовая руда 31,2 - 32,0