Новые достижения в магниетермии Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 669.295 В.П. Перминов СГГ А, Новосибирск

НОВЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ В МАГНИЕТЕРМИИ

Мегниетермия - подотрасль цветной металлургии, занимающаяся решением комплекса вопросов, связанных с получением различных металлов, сплавов, химических соединений путем восстановления магнием оксидов, хлоридов, фторидов и других более сложных веществ и изучением их свойств, кинетики и механизма реакций.

Магниетермический процесс схематично можно изобразить следующим образом:

МеХ + —► М^Х + Ме + р1

либо

МеХ + М§ —► М§Ме + М§Х +

Магний - перспективный восстановитель не только по причине большого химического сродства к кислороду и другим неметаллом, но и по запасам. Содержание его в земной коре примерно равно 2,1%.

В связи с тем, что в последние десятилетия научились получать сравнительно дешевый и чистый магний, как в виде чушек, так и порошка возросло его применение как восстановителя (30/50% в экономически развитых странах).

Хотя термодинамически магний является хорошим восстановителем почти всех оксидов, так как образование MgO сопровождается наибольшей убылью свободной энергии, однако для успешного хода магниетермического процесса необходим определенный тепловой эффект реакции, который часто называют термичностью, достаточный для расплавления компонентов шихты и продуктов реакции.

Целесообразность применения магниетермии к той или другой группе исходных веществ находится, кроме того, в прямой зависимости с типом химического взаимодействия магния с восстанавливаемым элементом.

Нами было показано [1 - 7], что получать магниетермическим путем относительно чистый металл или металлид возможно в достаточно ограниченном количестве систем. Гораздо чаще при этом получается сплав восстанавливаемого элемента с избытком магния или смесь нескольких трудноразделимых фаз.

Уже к 70м годам прошлого века в промышленности были реализованы магниетермические способы получения бериллия, титана, циркония, гафния, бора, урана. Все эти элементы, за исключением бора, получаются из соответствующих галогенидов.

Пожалуй, больше всего за последние годы было опубликовано работ по металлургии титана.

Способ Кролля, предложенный в 1940 году в США и существенно модернизированный в СССР, основанный на восстановлении магнием четырех - хлористого титана, позволил нашей стране выйти на одно из первых мест в мире по его производству.

Работы в области совершенствования магниетермии титана продолжаются и сейчас как у нас, так и за рубежом и направлены на создание экономичных непрерывных способов [8].

С точки зрения экономики, интерес представляет, в том числе и работы, ведущиеся с 1997 года в Кэмбриджском университете Соединенного Королевства, где разрабатывается процесс получения титановой губки (не из солей титана, а из его оксида TiO2). Процесс назван «FFC - Cambrige», ведется в электролизной ячейке с графитовыми анодами в расплаве CaCl2 при температуре около 9000С.

Оценочная стоимость титановой губки, полученной с использованием нового процесса примерно в 3,5 раза меньше, чем по процессу Кроля [9].

Метод магниетермии может быть использован и для получения металлидов и сплавов, в состав которых магний не входит, то есть используется в процессе только как восстановитель.

Нами уже описывались результаты работ по синтезу боридов, нитридов, силицидов, фосфидов, а также карбида бора, гидрида циркония и некоторых сплавов [1].

В последние годы проведен ряд интересных работ по синтезу карбида и карбонитрида титана [10, 11].

Карбид, нитрид и карбонитрид титана находят широкое применение в изделиях специального назначения, как в общем машиностроении, так и в ядерной, химической, аэро - и космической областях.

Карбонитрид титана по сравнению с карбидом титана является более перспективным материалом при использовании в инструментах и специальных изделиях из-за большой прочности, химической стабильности при высоких температурах и абразивной износостойкости.

Традиционные методы порошковой металлургии для получения этих веществ менее перспективны, чем предложенные в работах [10,11]. Несомненным достоинством этой технологии, основанной на восстановлении хлоридов титана и углерода магнием, является возможность применения промышленной технологии и аппаратуры для могниетермического производства губчатого титана.

Исходная смесь TiCl4-C2Cl4 подавалась в реактор с расправленным магнием при температуре 850 - 950 0С.

Процесс вели в среде аргона при синтезе карбида титана или азота - при получении карбонитрида титана.

Возможно протекание следующих реакций:

1/2^04(г) + Mg^) = 1/2Ті(ж) + MgCl2^);

1/2C2CL4(^ + Mgfa) = С(т) + MgCW;

Ті(т) + С(т) = ТіС(т);

1/3теи(г) + 1/бС2а4(г) + Mg^) = 1/3ТіС(т) + MgCbW

При синтезе карбонитрида титана возможно протекание основной реакции:

TiCUfa) + 1/4С2а4(г) + 5/2Mgfa) + 1/4Щг) -------►

TiC^N)^) + 5/2MgCW

В этой же работе [10] было показано, что при магниетермическом получении керметов TiC/Me (Me - металл - связка) перспективно получение композиционного материала TiC/Ni, являющегося популярным керметом.

Синтез осуществляли восстановлением смеси TiCl4 - C2Cl4 сплавом магний - никель. Окончательное формирование композита TiC/Ni происходило на завершающей стадии процесса вакуумной сепарации.

Применение в качестве восстановителя смеси хлоридов титана и углерода магниевого сплава МЛ5 и алюминиевого сплава АМг61 позволило получить композиционный материал, представляющий собой металлическую матрицу с равномерно распределенными упрочняющими частицами карбида титана.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Самсонов Г.В., Перминов В.П. Магниетермия.-М.: Металлургия. 1971- 174с.

2. Перминов В.П., Неронов В.А. Магниетермическое внепечное получение бора из борного ангидрида//Порошковая металлургия.-1969.-№1.С.1- 5.

3. Перминов В.П., Неронов В.А. Магниетермическое внепечное получение молибдена из молибденового ангидрида//Изв. СО АН СССР. Сер. хим. 1969. вып. 5. №12. с.72 - 77.

4. Перминов В.П. Магниетермический способ получения и некоторые свойства сплавов Co - Mg и Ni - Mg. ЖПХ. 1970. T. XLlll. с. 62 - 65.

5. Перминов В.П. Магниетермическое получение металлов и сплавов. В кн.: Металлотермические процессы в химии и металлургии. Матер. конф. Новосибирск: Наука. 1971. с. 111 - 115.

6. Перминов В.П., Неронов В.А. К вопросу получения бора из буры. В кн. теория и технология металлургических процессов. Новосибирск. Наука. 1974. с. 209 - 213.

7. Перминов В.П., Неронов В.А. Мегниетермическое внепечное получение вольфрама из вольфрамового ангидрида. В кн. Теория и технология металлотермических процессов. Новосибирск. Наука. 1974. с. 207 - 209.

8. Тарасов А.В. Металлургия титана. - М.: Академкнига. 2003. с. 327.

9. Karpel S. Metals Bull Mon. 2003. №391. с. 18 -20.

10. Александровский С.В. Магниетермия тугоплавких соединений титана и композиционных материалов на их основе//Цвет. мет. 2003. №7. с. 116 - 121.

11. Александровский С.В., Сизяков В.М., Ли Д.В. Особенности мегниетемического синтеза ультрадисперских порошков карбонитридов титана//Цвет. мет. 2003. №10. с. 30 -34.

© В.П. Перминов, 2005