Способ получения диборида магния

(51)01 35/04 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИБОРИДА МАГНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики и надежности машин Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Витязь Петр Александрович Гамеза Людмила Михайловна Антонович Ярослав Валентинович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики и надежности машин Национальной академии наук Беларуси(57) Способ получения диборида магния, включающий смешивание аморфного бора и металлического магния, прессование из смеси таблетки, обертывание ее танталовой фольгой и отжиг, отличающийся тем, что компоненты смешивают в стехиометрическом соотношении, отжиг таблетки проводят в печи с воздушной атмосферой в тигле с засыпкой из гексагонального нитрида бора или диборида титана или в тигле со спрессованным из гексагонального нитрида бора или диборида титана закрытым контейнером, наружный диаметр которого сопряжен с внутренним диаметром тигля, а внутренний - с диаметром таблетки, при этом температура отжига составляет 630-780 С, а время отжига - 15-60 минут. Изобретение предназначено для абразивной промышленности и может быть использовано для изготовления сверхтвердых композиционных и абразивных материалов, в частности, в качестве катализатора при получении порошков кубического нитрида бора. Известен способ получения диборида магния, заключающийся в том, что изотопически чистый бор (99,5 , тонкоизмельченный порошок) и металлический магний (99,9 , в форме куска), взятые в стехиометрическом соотношении, заваривают в вакуумированной танталовой ампуле, которую затем запаивают в кварцевую ампулу и прокаливают в муфельной печи при температуре 950 С в течение двух часов. После охлаждения образец извлекают из ампул (см. , . , ..,-/0101463 31 ,2001, . 153-157). Недостатком способа является использование ампульного синтеза, требующего специальной техники заваривания танталовых и кварцевых ампул. Кроме того, в процессе синтеза происходит деформация танталовой ампулы за счет изменения объема порошкового бора, что ведет к невозможности повторного использования ампул. 8417 1 2006.08.30 Известен способ получения диборида магния путем смешения кристаллического порошкообразного бора (99,05 ) и металлического магния в виде куска (99,7 ), взятых в соотношении, превышающем стехиометрическое, помещенных в железный тигель, покрытый слоем окиси магния, смесь нагревают в потоке водорода при температуре 800 С в течение 1 часа. После охлаждения образца избыток магния, который представлял из себя металлический слиток, удаляли. Образец в виде порошка используют для дальнейшей аттестации (. , . , . . . ., 1954, . 76,5, . 1434-1436). К недостаткам способа относится сложность получения диборида магния вследствие применения взрывоопасного водорода, а также малый выход готового продукта, который не превышает 40 . Наиболее близким аналогом предлагаемого способа является способ получения диборида магния путем смешения аморфного бора и стружки металлического магния, взятых в соотношении, превышающем стехиометрическое, с последующим отжигом спрессованной в таблетки смеси в атмосфере инертного газа (гелия или аргона), пропущенного через титановую губку, нагретую до 1000-1050 С, в две стадии при температуре 800-810 С в течение 1-1,5 ч и при температуре 875-885 С в течение 1-1,5 ч соответственно (патент РФ 2202515 от 20.04.2003 г. Бюл.11. Дьячкова Т.В., Тютюник А.П., Зубков В.Г., Зайнулин Ю.Г. Способ получения диборида магния). К недостаткам способа следует отнести сложность получения вследствие использования постоянного потока инертного (дорогостоящего) газа (гелий, аргон), который к тому же, выносит возгоняющийся магний из зоны реакции, поэтому для протекания реакции необходимо брать магний в избытке. Кроме того, процесс синтеза достаточно длительный(2-3 часа), что приводит к значительному его удорожанию. Настоящее изобретение решает задачу упрощения процесса получения диборида магния с обеспечением возможно большего выхода конечного продукта. Поставленная задача решена в способе получения диборида магния, включающем смешивание аморфного бора и металлического магния, прессование из смеси таблетки,обертывание ее танталовой фольгой и последующий отжиг, причем, согласно изобретению, компоненты смешивают в стехиометрическом соотношении и отжиг таблетки проводят в печи с воздушной атмосферой в тигле с засыпкой из гексагонального нитрида бора или диборида титана или в тигле со спрессованным из гексагонального нитрида бора или диборида титана закрытым контейнером, наружный диаметр которого сопряжен с внутренним диаметром тигля, а внутренний - с диаметром таблетки, при этом температура отжига составляет 630-780 С, а время отжига - 15-60 минут. В случае использования прессованного контейнера размеры его таковы, что наружный диаметр сопрягается с диаметром тигля, а внутренний диаметр сопряжен с диаметром реакционной таблетки. Отжиг производится в течение 15-60 минут в муфельной печи типа СНОЛ 1,62,5 1/11 - И 2, предварительно нагретой до 630-700 С. После синтеза тигель извлекают из печи, дают остыть, очищают таблетку с танталом от нитрида бора или диборида титана, освобождают образец от танталовой фольги. Полученная таблетка весьма легко превращается в порошок с помощью измельчения в агатовой ступке. Фазовый состав порошка контролируют с помощью рентгеновского дифрактометра, а затем порошок используют в качестве катализатора для синтеза кубического нитрида бора. В качестве среды, препятствующей окислению магния в процессе синтеза, таким образом, вместо инертного газа используют засыпку из гексагонального нитрида бора или диборида титана либо из этих материалов прессуют контейнера, наружный диаметр которых сопряжен с внутренним диаметром тигля, а диаметр реакционных таблеток, обернутых в танталовую фольгу, сопряжен с внутренним диаметром контейнеров. В настоящее время не известен способ получения диборида магния путем смешивания аморфного бора и опилок металлического магния и последующего отжига в стальном тигле при температуре 630-700 С в течение 15-60 минут в засыпке или контейнере из гекса 2 8417 1 2006.08.30 гонального нитрида бора либо диборида титана. Танталовая фольга, которой обертывают таблетки, при таких температурах не разрушается и может использоваться многократно. Использование аморфного бора обеспечивает полноту и быстроту протекания реакции. Использование магния в виде порошка также способствует быстрой гомогенизации реакционной смеси в процессе синтеза. При проведении процесса в засыпке из гексагонального нитрида бора или диборида титана отпадает необходимость в вакуумировании таблеток реакционной смеси или подаче защитного газа, При этом выход диборида магния составляет не менее 95 . Синтез при температуре менее 630 С не обеспечивает полного прохождения реакции. В продуктах реакции синтеза обнаружены наряду с 2 непрореагировавшиеи В. При температуре свыше 780 С начинается интенсивное испарение магния, поэтому ни с точки зрения количества потребляемой мощности, ни с точки зрения экономии магния, ни с точки зрения стехиометрии получения диборида магния температура синтеза свыше 780 С не является оправданной. Проведение реакции в течение времени менее 15 мин не является достаточной с точки зрения выхода годного продукта. Он менее 90 . Выдержка в течение более 60 минут не приводит к дальнейшему увеличению выхода годного продукта (максимум 97 ) и не представляется экономически целесообразной. Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами. Пример 1 Смешивают 24,305 г металлического магния в виде опилок и 21,620 г порошка аморфного бора, взятых в стехиометрическом отношении, в смесителе в течение 2-х часов. Прессуют затем на гидравлическом прессе при давлении 600 МПа в стальной прессформе из приготовленной смеси таблетку. Таблетку оборачивают танталовой фольгой толщиной 0,1 мм. Берут тигель в виде цилиндрического стакана, выточенный из стали, лучше нержавеющей. Затем прессуют контейнер из порошка гексагонального нитрида бора в виде стакана с крышкой, который вставляют в тигель. Наружный диаметр контейнера сопрягается с внутренним диаметром стального тигля, а внутренний диаметр - с диаметром реакционной таблетки, обернутой в фольгу. Тигель помещают в печь, предварительно нагретую до 630 С, на 60 минут. По истечении указанного времени тигель достают из печи, охлаждают до комнатной температуры, достают образец из контейнера, освобождают от фольги, измельчают в ступке и проводят рентгенофазовый анализ. Анализ показал, что образец практически однофазный (2 - 95 ) с параметрами элементарной ячейки а 0,30830 и с 0,35525 нм и имеет в качестве примеси некоторое количество(не более 1,5 ),(не более 0,5 ), 6 (не более 2,5 ). Применение синтезированного диборида магния в качестве катализатора синтеза кубического нитрида бора позволило получить порошок КНБ с размерами кристаллов до 160 мкм и выходом 40 . Пример 2 Смешивают 24,305 г металлического магния в виде опилок и 21,620 г порошка аморфного бора, взятых в стехиометрическом отношении, в смесителе в течение 2-х часов. Прессуют затем на гидравлическом прессе при давлении 600 МПа в стальной прессформе из приготовленной смеси таблетку. Таблетку оборачивают танталовой фольгой толщиной 0,1 мм. Берут тигель в виде цилиндрического стакана, выточенный из нержавеющей стали. На дно тигля насыпают порошок диборида титана, уплотняют его, получая толщину слоя диборида титана порядка 10 мм. В центре стакана размещают реакционную таблетку,обернутую танталовой фольгой, и засыпают таблетку порошком диборида титана, уплотняя его с боков и сверху. После этого ставят стакан в предварительно нагретую до 780 С муфельную печь на 15 минут. После отжига тигель достают из печи, охлаждают до комнатной температуры, достают образец и освобождают от танталовой оболочки, измельчают в ступке. Рентгенофазовый анализ показал, что образец практически однофазный(2 - 96 ) с параметрами элементарной ячейки а 0,30835 и с 0,35520 нм и имеет 3 8417 1 2006.08.30 незначительное количество примеси(не более 0,8 ),(не более 0,6 ), 6 (не более 2,6 ). Ниже в таблице приведены и другие примеры получения диборида магния, опробованные в результате проведенных опытов согласно известному и заявляемому способу.Состав шихты,п/п г Известный способ 1-й этап 800-810 Гелий или аргон 2-й этап 875-885 Заявляемый способ Контейнер, изготовленный из 615 гексагонального нитрида бора Выход Время диборида синтеза,магмин ния,60-90 60-90 Контейнер, изготовленный из гексагонального нитрида бора Контейнер, изготовленный из гексагонального нитрида бора Контейнер, изготовленный из гексагонального нитрида бора Как видно из данных таблицы, заявляемый способ гораздо проще, поскольку позволяет производить реакцию не в два, а в один этап. Кроме того, не нужны печи, в которые доставляется гелий или аргон, а можно пользоваться обычной муфельной печью. Выход за одно спекание составляет почти 46 г по сравнению с 1 г согласно известному способу, а в качественном отношении выход выше на 5-7 . Таким образом, изобретение позволяет получить порошок 2 стехиометрического состава с высоким выходом конечного продукта (95-97 ), который пригоден для синтеза абразивного материала - порошков кубического нитрида бора. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4