RU2809611C2 - Method for producing metal-ceramic materials, including volumetric porous materials containing titanium nitride by self-propagating high-temperature synthesis - Google Patents
Method for producing metal-ceramic materials, including volumetric porous materials containing titanium nitride by self-propagating high-temperature synthesis Download PDFInfo
- Publication number
- RU2809611C2 RU2809611C2 RU2022111644A RU2022111644A RU2809611C2 RU 2809611 C2 RU2809611 C2 RU 2809611C2 RU 2022111644 A RU2022111644 A RU 2022111644A RU 2022111644 A RU2022111644 A RU 2022111644A RU 2809611 C2 RU2809611 C2 RU 2809611C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- titanium
- reaction mixture
- mixture
- ferrotitanium
- chromium
- Prior art date
Links
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 title claims abstract description 38
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 title claims abstract description 35
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 22
- 239000011148 porous material Substances 0.000 title claims abstract description 15
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 8
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 title abstract description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 36
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 36
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 35
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 35
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 claims abstract description 33
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 32
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 29
- 229910001200 Ferrotitanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 22
- -1 manganese nitrides Chemical class 0.000 claims abstract description 21
- 239000011572 manganese Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims abstract description 17
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 11
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 8
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims abstract description 5
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910001339 C alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 10
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 9
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 6
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 5
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000005056 compaction Methods 0.000 claims description 4
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 claims description 4
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 claims description 3
- 229910021332 silicide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 35
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 abstract 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 11
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 229910001021 Ferroalloy Inorganic materials 0.000 description 7
- RRZKHZBOZDIQJG-UHFFFAOYSA-N azane;manganese Chemical compound N.[Mn] RRZKHZBOZDIQJG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- CXOWYMLTGOFURZ-UHFFFAOYSA-N azanylidynechromium Chemical compound [Cr]#N CXOWYMLTGOFURZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 6
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 5
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 4
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 3
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000604 Ferrochrome Inorganic materials 0.000 description 2
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 2
- MOYKHGMNXAOIAT-JGWLITMVSA-N isosorbide dinitrate Chemical compound [O-][N+](=O)O[C@H]1CO[C@@H]2[C@H](O[N+](=O)[O-])CO[C@@H]21 MOYKHGMNXAOIAT-JGWLITMVSA-N 0.000 description 2
- 238000010310 metallurgical process Methods 0.000 description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 2
- 229910052580 B4C Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000616 Ferromanganese Inorganic materials 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DJXXXLYCNHGEAS-UHFFFAOYSA-N [Ti].ClN Chemical group [Ti].ClN DJXXXLYCNHGEAS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N boron carbide Chemical compound B12B3B4C32B41 INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 150000004678 hydrides Chemical class 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- DALUDRGQOYMVLD-UHFFFAOYSA-N iron manganese Chemical compound [Mn].[Fe] DALUDRGQOYMVLD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000462 isostatic pressing Methods 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 1
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 1
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XJDNKRIXUMDJCW-UHFFFAOYSA-J titanium tetrachloride Chemical compound Cl[Ti](Cl)(Cl)Cl XJDNKRIXUMDJCW-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
- MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N trimethyl(1,1,2,2,2-pentafluoroethyl)silane Chemical compound C[Si](C)(C)C(F)(F)C(F)(F)F MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к металлургии, а именно к способам получения металлокерамических, в том числе объемнопористых материалов, содержащих нитрид титана, методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.The invention relates to metallurgy, namely to methods for producing metal-ceramic, including volumetric porous materials containing titanium nitride, using the method of self-propagating high-temperature synthesis.
Из уровня техники известна группа способов получения нитрида титана: азотирование металлического титана или его гидрида; взаимодействие в газовой фазе между четыреххлористым титаном и аммиаком; разложение аминохлоридов титана или подобных солей, содержащих титан и азот; восстановление оксида титана углем или металлами в среде азота (Самсонов Г.В. Нитриды. Киев: «Наукова думка», 1969. - 379 с.). Недостатком данной группы способов является необходимость применения сложного технологического оборудования. A group of methods for producing titanium nitride is known from the prior art: nitriding of metallic titanium or its hydride; interaction in the gas phase between titanium tetrachloride and ammonia; decomposition of titanium amino chlorides or similar salts containing titanium and nitrogen; reduction of titanium oxide with coal or metals in a nitrogen environment (Samsonov G.V. Nitrides. Kyiv: “Naukova Dumka”, 1969. - 379 p.). The disadvantage of this group of methods is the need to use complex technological equipment.
Из уровня техники известен способ получения керамических порошков, в том числе и нитрида титана, включающий подготовку шихтовых материалов в виде порошков, заполнение реактора шихтой и газами с последующим проведением синтеза путем кратковременного теплового инициирования (Левашов Е.А., Рогачев А.С., Юхвид В.И., Боровинская И.П. Физико-химические и технологические основы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. М.: «Издательство БИНОМ», 1999 г. - 176 с.). Данный способ предусматривает применение сложного технологического оснащения, что снижает его применимость для получения компактных материалов.A method for producing ceramic powders, including titanium nitride, is known from the prior art, including preparing charge materials in the form of powders, filling the reactor with charge and gases, followed by synthesis by short-term thermal initiation (Levashov E.A., Rogachev A.S., Yukhvid V.I., Borovinskaya I.P. Physico-chemical and technological foundations of self-propagating high-temperature synthesis. M.: BINOM Publishing House, 1999 - 176 pp.). This method involves the use of complex technological equipment, which reduces its applicability for the production of compact materials.
Наиболее близким по технической сущности является способ получения компактных материалов, содержащих карбиды хрома и титана, методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, включающий приготовление реакционной смеси из порошков титана или ферротитана и углеродистого феррохрома, компактирование смеси и инициирование синтеза путем объемного либо локального нагрева (Патент РФ №2637198, МПК С22С 29/10, B22F 3/23, 30.11.2017). Данный способ предусматривает получение компактных материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) без применения специального технологического оборудования.The closest in technical essence is a method for producing compact materials containing chromium and titanium carbides using the method of self-propagating high-temperature synthesis, including preparing a reaction mixture from powders of titanium or ferrotitanium and carbon ferrochrome, compacting the mixture and initiating synthesis by volumetric or local heating (RF Patent No. 2637198 , IPC S22S 29/10, B22F 3/23, 11/30/2017). This method involves the production of compact materials by self-propagating high-temperature synthesis (SHS) without the use of special technological equipment.
Недостатком данного способа является узкая область применения, вызванная невозможностью регулирования в широком интервале состава получаемого материала и его пористости.The disadvantage of this method is the narrow scope of application caused by the impossibility of regulating the composition of the resulting material and its porosity over a wide range.
Все это снижает универсальность и применимость способа.All this reduces the versatility and applicability of the method.
Предлагаемый способ является более универсальным и промышленно применимым по отношению к прототипу. С одной стороны предлагаемый способ позволяет получать методом СВС компактные металлокерамические материалы на основе различных металлов и сплавов, содержащие в качестве одной из керамических фаз нитрид титана, с другой - в широком диапазоне регулировать пористость получаемых материалов.The proposed method is more universal and industrially applicable in relation to the prototype. On the one hand, the proposed method makes it possible to obtain compact metal-ceramic materials based on various metals and alloys using the SHS method, containing titanium nitride as one of the ceramic phases, and on the other hand, it is possible to regulate the porosity of the resulting materials in a wide range.
Способ осуществляется следующим образом.The method is carried out as follows.
Реакционную смесь, состоящую из порошкообразных титана или ферротитана с содержанием титана не менее 60% (масс.), нитридов хрома или марганца, или азотированных ферросплавов на их основе, а также порошков металлов или сплавов или их смесей компактируют любым доступным способом (изостатическое прессование, импульсное компактирование, прессование в металлических пресс-формах на гидравлических прессах и др.), после чего инициируют протекание самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Инициирование СВС в реакционной смеси, в зависимости от технического оснащения и габаритов скомпактированной реакционной смеси, может быть осуществлено либо объемным (с использованием индукционных печей, печей сопротивления и др.), либо локальным (искровым, дуговым, плазменным разрядом, применением воспламеняющих составов на основе магния и др.) нагревом. Для протекания реакции СВС и получения в материале нитрида титана способ предусматривает использование в качестве компонентов реакционной смеси порошков титана или ферротитана с содержанием титана не менее 60%. Использование ферротитана с меньшим содержанием титана может не позволить инициировать процесс синтеза. Для этой же цели в качестве второго компонента реакционной смеси способ допускает применение порошкообразных нитридов хрома или марганца или азотированных ферросплавов на их основе. Выбор нитридов хрома или марганца или ферросплавов на их основе обусловлен их меньшей термодинамической устойчивостью по сравнению с нитридом титана, что в ходе синтеза позволяет вступать вышеперечисленным соединениям в реакцию с титаном с образованием нитрида титана. Известно, что термодинамические характеристики реакций включают значения тепловых эффектов (ΔН°) и стандартного изменения свободной энергии (ΔG°) для соответствующих реакций (Казачков Е.А. Расчеты по теории металлургических процессов: Учебное пособие для вузов. М.: Металлургия, 1988. - 288 с.). Для протекания взаимодействия между нитридами и титансодержащим компонентом значения стандартной теплоты образования (ΔН°), соответствующего нитрида и изменение стандартной свободной энергии Гиббса (ΔG°) реакции образования должны быть выше соответствующих параметров реакции образования нитрида титана. Согласно (Казачков Е.А. Расчеты по теории металлургических процессов: Учебное пособие для вузов. М.: Металлургия, 1988. - 288 с.) данным критериям удовлетворяют нитриды хрома и марганца. Применение азотированных сплавов на основе хрома и марганца - азотированного феррохрома и ферромарганца также обеспечивает формирование в материале в ходе синтеза нитрида титана, поскольку вышеупомянутые сплавы содержат в своем составе нитриды хрома и марганца.A reaction mixture consisting of powdered titanium or ferrotitanium with a titanium content of at least 60% (mass), chromium or manganese nitrides, or nitrided ferroalloys based on them, as well as powders of metals or alloys or mixtures thereof, is compacted by any available method (isostatic pressing, pulse compaction, pressing in metal molds on hydraulic presses, etc.), after which self-propagating high-temperature synthesis (SHS) is initiated. The initiation of SHS in the reaction mixture, depending on the technical equipment and dimensions of the compacted reaction mixture, can be carried out either volumetric (using induction furnaces, resistance furnaces, etc.) or local (spark, arc, plasma discharge, using igniting compositions based on magnesium, etc.) by heating. To carry out the SHS reaction and obtain titanium nitride in the material, the method involves using titanium or ferrotitanium powders with a titanium content of at least 60% as components of the reaction mixture. The use of ferrotitanium with a lower titanium content may not allow the synthesis process to be initiated. For the same purpose, as a second component of the reaction mixture, the method allows the use of powdered chromium or manganese nitrides or nitrided ferroalloys based on them. The choice of chromium or manganese nitrides or ferroalloys based on them is due to their lower thermodynamic stability compared to titanium nitride, which during synthesis allows the above compounds to react with titanium to form titanium nitride. It is known that the thermodynamic characteristics of reactions include the values of thermal effects (ΔH°) and the standard change in free energy (ΔG°) for the corresponding reactions (Kazachkov E.A. Calculations according to the theory of metallurgical processes: A textbook for universities. M.: Metallurgy, 1988. - 288 pp.). For the interaction between nitrides and the titanium-containing component to occur, the values of the standard heat of formation (ΔH°), the corresponding nitride and the change in the standard Gibbs free energy (ΔG°) of the formation reaction must be higher than the corresponding parameters for the reaction of titanium nitride formation. According to (Kazachkov E.A. Calculations on the theory of metallurgical processes: Textbook for universities. M.: Metallurgy, 1988. - 288 p.) chromium and manganese nitrides satisfy these criteria. The use of nitrided alloys based on chromium and manganese - nitrided ferrochrome and ferromanganese also ensures the formation of titanium nitride in the material during synthesis, since the above alloys contain chromium and manganese nitrides.
Для получения компактных материалов способ предусматривает добавление к реакционной смеси порошков металлов, сплавов или их смесей, при этом количество добавок составляет не менее 5% (масс.) от массы исходной смеси титана или ферротитана с нитридами хрома или марганца или азотированных ферросплавов на их основе. Добавка металлов или сплавов в количестве менее 5% к исходной реакционной смеси не позволяет получать материалы, обладающие достаточной механической прочностью в связи со значительным количеством нитрида титана в материале и его высокой пористостью. Добавка металлов, сплавов или их смесей в количестве от 5% и выше позволяет получать материал с меньшими по размерами порами, либо вообще без пор (в случае значительного количества добавки, например 1:1, 2:1 от реакционной смеси). Прочность, состав и пористость материала, получаемого в ходе синтеза, в значительной степени определяется, наряду с основной реакцией взаимодействия титана или ферротитана с нитридами хрома или марганца или азотированных феррославов на их основе, количеством и составом добавки металлов, сплавов или их смесей. На физико-механические характеристики материала, наряду с пористостью, влияет и состав металлических добавок: введение алюминия, меди, никеля и сплавов на их основе позволяют получить материалы, обладающие достаточной пластичностью, введение высокоуглеродистых сплавов на основе железа позволяет получать более твердые материалы.To obtain compact materials, the method involves adding metal powders, alloys or their mixtures to the reaction mixture, with the amount of additives being at least 5% (mass) of the mass of the initial mixture of titanium or ferrotitanium with chromium or manganese nitrides or nitrided ferroalloys based on them. The addition of metals or alloys in an amount of less than 5% to the initial reaction mixture does not allow obtaining materials with sufficient mechanical strength due to the significant amount of titanium nitride in the material and its high porosity. The addition of metals, alloys or mixtures thereof in amounts of 5% or more makes it possible to obtain a material with smaller pores or no pores at all (in the case of a significant amount of additive, for example 1:1, 2:1 from the reaction mixture). The strength, composition and porosity of the material obtained during the synthesis are largely determined, along with the main reaction of the interaction of titanium or ferrotitanium with chromium or manganese nitrides or nitrided ferroslaves based on them, the amount and composition of the additive of metals, alloys or mixtures thereof. The physical and mechanical characteristics of the material, along with porosity, are also influenced by the composition of metal additives: the introduction of aluminum, copper, nickel and alloys based on them makes it possible to obtain materials with sufficient ductility; the introduction of high-carbon alloys based on iron allows us to obtain harder materials.
Для регулирования пористости и состава материала способ допускает применение реакционных смесей, в которых отношение массы титана или ферротитана к массе нитридов хрома или марганца или азотированных ферросплавов на их основе находится в пределах от 0,1 до 5,0. Отношение 0,1 предусматривает избыток нитридов хрома или марганца или азотированных ферросплавов, которые в ходе синтеза будут разрушаться с образованием нитрида титана и азота, который обеспечит значительное количество пор в материале. Отношение 5,0 вызывает избыток титана или ферротитана, что при синтезе способствует связыванию основного количества выделяемого азота (при разрушении нитридов или азотированных ферросплавов) в нитрид титана, приводя к незначительному количеству пор в материале.To regulate the porosity and composition of the material, the method allows the use of reaction mixtures in which the ratio of the mass of titanium or ferrotitanium to the mass of chromium or manganese nitrides or nitrided ferroalloys based on them is in the range from 0.1 to 5.0. A ratio of 0.1 provides for an excess of chromium or manganese nitrides or nitrided ferroalloys, which during synthesis will be destroyed to form titanium nitride and nitrogen, which will provide a significant number of pores in the material. A ratio of 5.0 causes an excess of titanium or ferrotitanium, which during synthesis promotes the binding of the main amount of released nitrogen (during the destruction of nitrides or nitrided ferroalloys) into titanium nitride, leading to a small number of pores in the material.
Для получения материала с упрочняющими керамическими частицами способ предусматривает введение в реакционную смесь керамических частиц карбидов, боридов, нитридов, силицидов, оксидов. Данные материалы, как правило, обладают высокой твердостью, что позволяет получать материал с повышенной износостойкостью. При этом способ допускает применение в качестве керамической добавки нитридов, термодинамически более устойчивых, по сравнению с нитридом титана, например нитридов кремния и бора. Данные материалы не принимают участия в синтезе (во взаимодействии титана с менее устойчивыми нитридами), при этом выступают как упрочняющие фазы. Способ допускает производить добавку к реакционной смеси керамических частиц карбидов, боридов, нитридов, силицидов, оксидов в количестве, не превышающем 40% масс. от массы смеси. Большее количество керамических частиц приводит к снижению прочности материала.To obtain a material with strengthening ceramic particles, the method involves introducing carbides, borides, nitrides, silicides, and oxides into the reaction mixture. These materials, as a rule, have high hardness, which makes it possible to obtain a material with increased wear resistance. In this case, the method allows the use as a ceramic additive of nitrides that are thermodynamically more stable compared to titanium nitride, for example, silicon and boron nitrides. These materials do not take part in the synthesis (in the interaction of titanium with less stable nitrides), but act as strengthening phases. The method allows for the addition of ceramic particles of carbides, borides, nitrides, silicides, and oxides to the reaction mixture in an amount not exceeding 40% by weight. by weight of the mixture. A larger number of ceramic particles leads to a decrease in the strength of the material.
Для формирования в материале дополнительно карбидных или боридных составляющих титана, а также для дополнительного разогрева реакционной смеси, способ предусматривает добавление к исходной реакционной смеси порошкообразной смеси титана с углеродсодержащими или борсодержащими компонентами. Взаимодействие титана с углеродсодержащими или борсодержащими компонентами протекает с тепловыделением, что позволяет облегчить условия протекания синтеза в исходной реакционной смеси, а образующиеся карбиды и бориды титана выступают как дополнительные упрочняющие фазы, повышающие физико-механические характеристики материала. Количество вводимой смеси титана с углерод- или борсодержащими компонентами составляет не менее 3% от массы исходной реакционной смеси, поскольку меньшее количество не приводит к заметному улучшению свойств материала. В качестве углеродсодержащих компонентов способ допускает применение сажи, графита, углерода, в качестве борсодержащих компонентов - бора, ферробора, карбида бора.To form additional titanium carbide or boride components in the material, as well as for additional heating of the reaction mixture, the method involves adding a powdered mixture of titanium with carbon-containing or boron-containing components to the initial reaction mixture. The interaction of titanium with carbon- or boron-containing components occurs with heat release, which makes it possible to facilitate the conditions for synthesis in the initial reaction mixture, and the resulting titanium carbides and borides act as additional strengthening phases that increase the physical and mechanical characteristics of the material. The amount of the introduced mixture of titanium with carbon- or boron-containing components is at least 3% by weight of the initial reaction mixture, since a smaller amount does not lead to a noticeable improvement in the properties of the material. The method allows the use of soot, graphite, carbon as carbon-containing components, and boron, ferroboron, boron carbide as boron-containing components.
Для улучшения условий компактирования реакционных смесей способ допускает добавление клеевого связующего в количестве, не превышающем 50% от массы исходной смеси. При получении материалов без пор или с малым их количеством требуется незначительное содержание клеевого связующего (1-5%), большее количество связующего целесообразно использовать для получения материала со значительным количеством пор, поскольку в ходе синтеза клеевое связующее выгорает, обеспечивая создание дополнительного количества пор.To improve the conditions for compacting reaction mixtures, the method allows the addition of an adhesive binder in an amount not exceeding 50% of the weight of the initial mixture. When obtaining materials without pores or with a small amount of them, a small amount of adhesive binder is required (1-5%), it is advisable to use a larger amount of binder to obtain a material with a significant number of pores, since during the synthesis the adhesive binder burns out, ensuring the creation of an additional number of pores.
После приготовления порошкообразных навесок их тщательно перемешивают. Готовую реакционную смесь компактируют и инициируют реакцию СВС. После протекания синтеза образуется компактный металлокерамический материал, содержащий нитрид титана.After preparing the powdered samples, mix them thoroughly. The finished reaction mixture is compacted and the SHS reaction is initiated. After the synthesis occurs, a compact metal-ceramic material containing titanium nitride is formed.
Примеры конкретного исполнения:Examples of specific execution:
Пример 1. В качестве реакционной смеси использовали смесь порошкообразных ферротитана с содержанием титана 70%, нитрида хрома CrN и никеля в следующих соотношениях: ферротитан 6,5 г; нитрид хрома 5,0 г; никель 7,0 г (отношение массы ферротитана к массе нитрида хрома составляло 1,3). Данную смесь компактировали в металлической форме на гидравлическом прессе. Полученный спрессованный состав подвергали нагреву в печи для инициирования СВС. После нагрева до 1200°С и выдержки прессовок их охлаждали совместно с печью. Полученный материал содержал γ-фазу на основе железа, нитрид титана TiN и интерметаллид Ni3Ti. Данные фазы являются следствием протекания СВС в используемой реакционной смеси. Металлографические исследования показали, что полученный материал содержит в объеме поры размером 30÷150 мкм, вызванные участием газообразного азота в процессе синтеза.Example 1. A mixture of powdered ferrotitanium containing 70% titanium, chromium nitride CrN and nickel in the following ratios was used as a reaction mixture: ferrotitanium 6.5 g; chromium nitride 5.0 g; nickel 7.0 g (the ratio of the mass of ferrotitanium to the mass of chromium nitride was 1.3). This mixture was compacted in a metal form using a hydraulic press. The resulting compressed composition was heated in an oven to initiate SHS. After heating to 1200°C and holding the compacts, they were cooled together with the furnace. The resulting material contained an iron-based γ-phase, titanium nitride TiN and an intermetallic compound Ni 3 Ti. These phases are a consequence of the occurrence of SHS in the reaction mixture used. Metallographic studies have shown that the resulting material contains pores with a size of 30÷150 microns, caused by the participation of nitrogen gas in the synthesis process.
Пример 2. То же, что в примере 1, только реакционную смесь компактировали в изостате. Полученный материал имел аналогичный представленному в примере 1 фазовый состав, при этом не содержал пор в объеме, что вызвано более высокими усилиями компактирования исходной реакционной смеси.Example 2. The same as in example 1, only the reaction mixture was compacted in an isostat. The resulting material had a phase composition similar to that presented in example 1, but did not contain pores in the volume, which was caused by higher compaction forces of the initial reaction mixture.
Пример 3. В качестве реакционной смеси использовали смесь порошкообразных титана, нитрида хрома CrN и никеля в следующих соотношениях: титан 2,0 г; нитрид хрома 1,0 г; никель 10,0 г (отношение массы титана к массе нитрида хрома составляло 2,0). Компактирование проводили при помощи изостата. Объемный нагрев прессовки данного состава до 1200°С позволяет инициировать СВС, продуктом которого является плотный материал содержащий следующие фазы: γ-фаза на основе никеля, интерметаллиды Ni3Ti и Ni3Cr и нитрид титана TiN.Example 3. A mixture of powdered titanium, chromium nitride CrN and nickel in the following ratios was used as a reaction mixture: titanium 2.0 g; chromium nitride 1.0 g; nickel 10.0 g (the ratio of the mass of titanium to the mass of chromium nitride was 2.0). Compaction was carried out using an isostat. Volumetric heating of a compact of this composition to 1200°C allows one to initiate SHS, the product of which is a dense material containing the following phases: nickel-based γ-phase, intermetallic compounds Ni 3 Ti and Ni 3 Cr and titanium nitride TiN.
Пример 4. В качестве реакционной смеси использовали смесь порошкообразных ферротитана с содержанием титана 70%, нитрида марганца Mn2N и никеля в следующих соотношениях: ферротитан 6,5 г; нитрид марганца 13,0 г; никель 10,0 г (отношение массы ферротитана к массе нитрида марганца составляло 0,5). Перед компактированием смеси к ней добавили клеевое связующее в количестве 20% от массы смеси. Прессование осуществляли на гидравлическом прессе в металлической форме. Спрессованные составы нагревали в печи до температуры 1200°С. В процессе СВС образовался пористый материал содержащий γ-фазу на основе никеля и марганца и нитрид титана TiN.Example 4. As a reaction mixture, we used a mixture of powdered ferrotitanium with a titanium content of 70%, manganese nitride Mn 2 N and nickel in the following ratios: ferrotitanium 6.5 g; manganese nitride 13.0 g; nickel 10.0 g (the ratio of the mass of ferrotitanium to the mass of manganese nitride was 0.5). Before compacting the mixture, an adhesive binder was added to it in an amount of 20% by weight of the mixture. Pressing was carried out on a hydraulic press in a metal mold. The compressed compositions were heated in an oven to a temperature of 1200°C. During the SHS process, a porous material was formed containing a γ-phase based on nickel and manganese and titanium nitride TiN.
Пример 5. В качестве реакционной смеси использовали смесь порошкообразных ферротитана с содержанием титана 70%, нитрида марганца Mn2N и никеля в следующих соотношениях: ферротитан 8,0 г; нитрид марганца 13,0 г; никель 10,0 г (отношение массы ферротитана к массе нитрида марганца составляло 0,6). К данной смеси дополнительно добавили медь, в количестве 50% от массы смеси. После проведения СВС образовался плотный материал на основе меди, дополнительно содержащий нитрид титана TiN.Example 5. As a reaction mixture, we used a mixture of powdered ferrotitanium with a titanium content of 70%, manganese nitride Mn 2 N and nickel in the following ratios: ferrotitanium 8.0 g; manganese nitride 13.0 g; nickel 10.0 g (the ratio of the mass of ferrotitanium to the mass of manganese nitride was 0.6). Copper was additionally added to this mixture in an amount of 50% by weight of the mixture. After SHS, a dense copper-based material was formed, additionally containing titanium nitride TiN.
Предлагаемый способ является практически применимым для получения методом СВС металлокерамических, в том числе, объемнопористых материалов, содержащих нитрид титана.The proposed method is practically applicable for the production of metal-ceramic, including volumetric porous materials containing titanium nitride using the SHS method.
Claims (5)
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2022111644A RU2022111644A (en) | 2023-10-27 |
| RU2809611C2 true RU2809611C2 (en) | 2023-12-13 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4915908A (en) * | 1984-10-19 | 1990-04-10 | Martin Marietta Corporation | Metal-second phase composites by direct addition |
| WO1997012999A1 (en) * | 1995-10-02 | 1997-04-10 | The Dow Chemical Company | Single step synthesis and densification of ceramic-ceramic and ceramic-metal composite materials |
| US6190762B1 (en) * | 1996-01-15 | 2001-02-20 | Widia Gmbh | Composite body and method of producing the same |
| WO2017190247A1 (en) * | 2016-05-04 | 2017-11-09 | Lumiant Corporation | Metallic matrix composites synthesized with uniform in situ formed reinforcement |
| RU2637198C1 (en) * | 2016-06-14 | 2017-11-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт механики Уральского отделения Российской академии наук | Method for obtaining compact materials containing chrome and titanium carbides by method of self-spreading high-temperature synthesis (versions) |
| RU2658566C2 (en) * | 2016-06-14 | 2018-06-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук | Method for obtaining compact materials containing titanium diboride using self-propagating high-temperature synthesis |
| RU2739898C1 (en) * | 2020-01-10 | 2020-12-29 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук | Method of producing composite metal alloy containing titanium carbide |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4915908A (en) * | 1984-10-19 | 1990-04-10 | Martin Marietta Corporation | Metal-second phase composites by direct addition |
| WO1997012999A1 (en) * | 1995-10-02 | 1997-04-10 | The Dow Chemical Company | Single step synthesis and densification of ceramic-ceramic and ceramic-metal composite materials |
| US6190762B1 (en) * | 1996-01-15 | 2001-02-20 | Widia Gmbh | Composite body and method of producing the same |
| WO2017190247A1 (en) * | 2016-05-04 | 2017-11-09 | Lumiant Corporation | Metallic matrix composites synthesized with uniform in situ formed reinforcement |
| RU2637198C1 (en) * | 2016-06-14 | 2017-11-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт механики Уральского отделения Российской академии наук | Method for obtaining compact materials containing chrome and titanium carbides by method of self-spreading high-temperature synthesis (versions) |
| RU2658566C2 (en) * | 2016-06-14 | 2018-06-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук | Method for obtaining compact materials containing titanium diboride using self-propagating high-temperature synthesis |
| RU2739898C1 (en) * | 2020-01-10 | 2020-12-29 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук | Method of producing composite metal alloy containing titanium carbide |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Jie-Cai et al. | In-situ combustion synthesis and densification of TiC–xNi cermets | |
| Subrahmanyam et al. | Self-propagating high-temperature synthesis | |
| US3999952A (en) | Sintered hard alloy of multiple boride containing iron | |
| Zhang et al. | Combustion synthesis and densification of large-scale TiC–xNi cermets | |
| CA1058841A (en) | Method of obtaining cast refractory inorganic materials | |
| US4274875A (en) | Powder metallurgy process and product | |
| JPS6376803A (en) | Production of water spraying powder metallurgical product | |
| JPS6340855B2 (en) | ||
| RU2809611C2 (en) | Method for producing metal-ceramic materials, including volumetric porous materials containing titanium nitride by self-propagating high-temperature synthesis | |
| RU2658566C2 (en) | Method for obtaining compact materials containing titanium diboride using self-propagating high-temperature synthesis | |
| RU2341578C2 (en) | Method of receiving of nitrogen-bearing alloy for steel alloying and nitrogen-bearing alloy for steel alloying | |
| RU2739898C1 (en) | Method of producing composite metal alloy containing titanium carbide | |
| Lepakova et al. | Self-propagating high-temperature synthesis of composite material TiB2-Fe | |
| RU2809613C1 (en) | Method for producing composite aluminium matrix materials containing chromium boride components using self-propagating high-temperature synthesis | |
| Yeh et al. | Combustion synthesis of vanadium carbonitride from VC powder compacts under nitrogen pressure | |
| RU2793662C1 (en) | Method for producing composite aluminum matrix materials containing titanium carbide by self-propagating high-temperature synthesis | |
| Baglyuk et al. | Thermal synthesis of Fe–B4C powder master alloys | |
| RU2365467C2 (en) | Method of obtaining boron alloying alloy for alloying of steel | |
| RU2792903C1 (en) | Method for producing composite aluminium-matrix materials containing titanium carbide by self-propagating high-temperature synthesis | |
| RU2816713C1 (en) | Method for producing refractory material | |
| RU2829233C1 (en) | Method of producing nitrogen-containing chromium-based ligatures | |
| RU2425166C1 (en) | Procedure for production of mechanically alloyed nitrogen containing steel | |
| RU2637198C1 (en) | Method for obtaining compact materials containing chrome and titanium carbides by method of self-spreading high-temperature synthesis (versions) | |
| RU2792027C1 (en) | Method for manufacturing electrodes for electrospark alloying and electric arc surfacing | |
| RU2218440C2 (en) | Dopand material based on silicon nitride and method of its production |