способ получения нитрида тугоплавкого металла, изделия из него, полученные этим способом, и их применение

Формула изобретения

1. Способ получения нитрида тугоплавкого металла, включающий размещение обрабатываемого изделия в азотсодержащей среде и проведение процесса азотирования при нагревании, отличающийся тем, что используют преформу получаемого изделия, содержащую не менее 99,9 мас.% металла, выбранного из группы, включающей титан, цирконий, гафний, в качестве азотсодержащей среды используют азот, нагрев до 2000-2600°С осуществляют электрическим током и процесс азотирования ведут в течение времени, достаточного для получения монолитного изделия из нитрида тугоплавкого металла.

2. Изделие из нитрида тугоплавкого металла, полученное способом по п.1.

3. Изделие по п.2, отличающееся тем, что при использовании преформы из титана оно содержит 21,0÷22,5 мас.% азота.

4. Изделие по п.2, отличающееся тем, что при использовании преформы из гафния оно содержит 6,0÷7,2 мас.% азота.

5. Изделие по п.2, отличающееся тем, что при использовании преформы из циркония оно содержит 12,0÷13,0 мас.% азота.

6. Применение изделия по любому из пп.2-5 в качестве нагревательного элемента лампы накаливания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение предназначено для химической, электротехнической, радиоэлектронной промышленности, материаловедения и может быть использовано для прямого получения монолитного материала и изделия из нитрида металла (Me-Ti, Zr, Hf) (нить, лодочка и т.д.), работающего в экстремальных условиях, например в качестве нагревательных элементов ламп накаливания и т.п.

Постоянно обостряющийся дефицит материалов на основе вольфрама и его соединений диктует необходимость поиска альтернативных материалов и технологий. В последнее десятилетие нитриды привлекают внимание широкого круга специалистов, занимающихся синтезом этих соединений, изучением их структуры и разнообразных свойств, а также применения материалов на основе нитридов в различных отраслях современной техники. Высокая температура плавления многих нитридов, их своеобразные механические и физические свойства (большая твердость, абразивная способность, тугоплавкость, пластичность при высоких температурах и др.) обусловливают широкий интерес к материалам на их основе.

Известен способ получения нитрида тугоплавкого металла, включающий загрузку порошка соответствующего металла в реактор в атмосфере азота и азотирование его в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза путем инициирования реакции горения (RU 2083487 С1, 10.07.1997). Высокая степень азотирования не менее 96,4% достигается за счет использования порошкообразного металла. Недостатком метода является невозможность получения монолитного изделия, сложность аппаратурного оформления.

Согласно известному способу (CN 1312218 С, 12.09.2001) нитрид титана получают с использованием исходного наноразмерного порошка диоксида титана при следующих технологических условиях: в среде аммиака, при высокой температуре и времени, достаточном для получения нитрида титана в виде нанопорошка.

В патенте RU 22470070 С1, 27.02.2005 описан способ получения нитрида титана при плавлении титана и его сплавов сфокусированным лазерным излучением с одновременным его азотированием, дроблением и извлечением целевого продукта - порошкового нитрида титана с содержанием азота от 7-15% до 18-22% - потоком технического азота. Недостатком способа является невозможность получения монолитного изделия, сложность аппаратурного оформления, а также большой разброс по содержанию азота в изделии.

Ближайшим известным техническим решением является способ получения нитрида тугоплавкого металла, такого как: молибден, ниобий, титан, включающий размещение обрабатываемого изделия в азотсодержащей среде, в качестве которой используют порошок нестехиометрического нитрида титана NiT _x, где х=0,1-0,95 с дисперсностью частиц 1-100 мкм, и проведение процесса азотирования при нагревании до 400-500°С путем создания постоянного напряжения между электродом деталью и дополнительным электродом из того же материала, причем в качестве анода используют азотируемое изделие (SU 1313000 А1, 20.11.1999). Недостатком способа является невозможность получения монолитного изделия из нитрида металла, необходимость предварительного получения порошка нестехиометрического нитрида титана путем взаимодействия гидрида титана и азота методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, сложность аппаратурного оформления, а также невозможность получения готовых изделий любой сложной формы и конфигурации.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение технологии, снижение трудоемкости и увеличение производительности процесса получения монолитных изделий любой формы и конфигурации из нитрида тугоплавкого металла - титана, циркония, гафния, таких как тонкие проволоки любого сечения, например, для использования их как источника света в лампах накаливания, а также тонкостенные детали любой сложной формы из стехиометрических нитридов Ti, Zr, с твердостью от 1250 до 2000 Н (кг/мм²). При этом отклонение от стехиометрического состава по азоту составляет не более 5%.

Для решения поставленной задачи предложен настоящий способ получения нитрида тугоплавкого металла, в качестве которого используют металл, выбранный из группы, включающей цирконий, титан, гафний, с содержанием металла не менее 99,9 мас.%, предварительно ему придают преформу получаемого изделия, размещают преформу в среде очищенного от кислорода азота и проводят процесс азотирования при нагревании до температур 2000-2600°С электрическим током в течение времени, достаточного для завершения процесса азотирования и получения монолитного изделия из нитрида металла. Предложено также изделие из нитрида тугоплавкого металла, полученное описанным выше способом. Изделие при использовании преформ из титана содержит 21,0-22,5 мас.% азота, при использовании преформ из гафния - 6,0-7,2 мас.% азота, при использовании преформ из циркония - 12,0-13,0 мас.% азота. Предложено применение полученного изделия в качестве нагревательного элемента лампы накаливания. При осуществлении изобретения исходную металлическую преформу выполняют в виде отформованной заготовки, имеющей нужную форму и конфигурацию, любыми пригодными средствами, например, заготовку из металла, такую как проволока, фольга, пластины, тонкостенные детали, стержень или болванка, можно подходящим образом обработать, отформовать, экструзировать или иным образом придать ей форму, чтобы получить исходную металлическую преформу. Преформа может иметь канавки, отверстия углубления, фаски, выступы, фланцы, шпильки, винтовые резьбы и т.п., отформованные в нем, кроме того, она может иметь кольца, втулки, диски, стержни и т.п.

Пример. В качестве примера, иллюстрирующего настоящее изобретение, предлагается описание получения нитридов циркония, титана, гафния и изделия - тонкой проволоки (спирали) толщиной 1,5-0,3 мм и фольги толщиной 0,2-0,3 мм. Процесс осуществляют нагреванием металлической преформы - проволоки из Ti, Zr, Hf (при содержании металла не менее 99,9 мас.%) до температуры 2100-2600°С электрическим током в среде очищенного от кислорода азота. Глубину протекания процесса азотирования контролируют по изменению силы тока, а температуру - пирометром. В качестве источника тока используют понижающий трансформатор мощностью 3000 Вт. Избыточное давление азота поддерживают с помощью буферной камеры. Исходную металлическую преформу помещают в стеклянный реактор, продувают его обескислороженным азотом в течение 2-4 минут. Затем ток азота перекрывают и поддерживают его избыточное давление с помощью наполненной чистым азотом буферной камеры. На терморегулирующем приборе выставляют заданное значение мощности - для префомы из Ti - 100-150 Вт, для префомы из Zr - 150-200 Вт, для префомы из Hf - 180-230 Вт и подают на медные токовводы, соединенные с металлической преформой, электрический ток. В таблице 1 приведены параметры процессов получения нитридов Ti, Zr, Hf и данные по полученным нитридам металлов.

Таблица 1. Параметры процессов получения тонкой нити (проволоки) из нитридов Ti, Zr, Hf и данные по полученным нитридам металлов.
№ п/п	Исходный образец	Температура процесса, °С	Газовая среда	Время процесса, ч	Состав	Твердость, Н, кг/мм2
	Проволока, 1,5-0,3 мм
1	Ti, сод. - 99,9%	2000-2100	азот	2-3	TiN, N - 21-22,5%	1250-1400
2	Hf, сод. - 99,9%	2500-2600	азот	2-3	HfN, N - 6-7,2%	1400-1600
3	Zr. сод. - 99,9%	2500-2600	азот	2-3	ZrN, N - 12-13%	1500-2000
	Фольга 0,2-0,3 мм
4	Ti, сод. - 99,9%	2000-2100	азот	5-6	TiN, N - 21-22,5%	1250-1300
5	Hf, сод. - 99,9%	2500-2600	азот	5-6	HfN, N - 6-7,2%	1400-1500
6	Zr, сод. - 99,9%	2500-2600	азот	5-6	ZrN, N - 12-13%	1800-2000

На фиг.1 представлена схема установки азотирования.

Заявляемый способ позволяет упростить процесс получения нитрида металла и деталей из нитридов Ti, Zr, Hf малых толщин и размеров. Кроме того, этот способ дает возможность получать из тугоплавких нитридов Ti, Zr, Hf монолитные изделия - проволоки различного сечения, пластины, тонкостенные детали любой сложной формы, которые невозможно получить методом порошковой металлургии и механической обработкой слитков или отливок из нитридов Ti, Zr, Hf.

Ниже приводятся данные, свидетельствующие о применении изделия, полученного согласно изобретению в качестве нагревательного элемента лампы накаливания. Сравнение освещенности поверхности, создаваемой керамическими спиралями из нитридов Ti, Zr, Hf с освещенностью от вольфрамовой спирали лампы накаливания проводят люксметром Аргус-01 при различных мощностях источников света. Для удобства сравнения значений освещенности от различных керамических нитридов с лампами накаливания на спирали подают мощность, соответствующую мощности стандартных ламп накаливания с вольфрамовой спиралью. На фиг.2 показано расположение датчика люксметра относительно источника света.

Исследуемые образцы представляют собой керамические нитридные спирали, полученные из проволоки соответствующего металла диаметром 0.5 мм, длиной 100 мм согласно изобретению. Измерение освещенности проводят при постоянной мощности источника света в течение 1 часа. Результаты измерений сведены в таблицу 2.

Таблица 2. Результаты исследований освещенности поверхности керамическими спиралями из токопроводящих нитридов и лампами накаливания различной мощности.
№	Источник света	Освещенность (Лк) при мощности источника (Вт)
		40	60	100
1	TiN	18	24	36
2	ZrN	16	22	32
3	HfN	17	23	34
4	Лампа накаливания	18	23	33

Таким образом, настоящее изобретение позволяет получить нитрид металла, монолитный материал и изделия из него: тонкие проволоки любого сечения и тонкостенные детали любой сложной формы из нитридов Ti, Zr, Hf, снизить трудоемкость и повысить производительность процесса получения монолитных нитридов металлов (Me-Ti, Zr, Hf) с соотношением Me:N=1:1, с отклонением от стехиометрии не более 5% и твердостью от 1250 до 2000 Н (кг/мм ²).