ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УГЛЕРОДНОГО МАТЕРИАЛА С РАЗВИТОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ДЛЯ СИНТЕЗА ВЫСШЕГО КАРБИДА ХРОМА

Представлены результаты исследования процесса синтеза высокодисперсного порошка карбида хрома состава Cr₃C₂ . Карбид хрома был получен восстановлением оксида хрома Cr₂O₃ нановолокнистым углеродом (НВУ) в индукционной печи в среде аргона. НВУ – продукт каталитического разложения легких углеводородов. Основной характеристикой НВУ является высокое значение удельной поверхности (~150  000  м²/кг), что существенно выше, чем у сажи (~50  000  м²/кг). Содержание примесей в НВУ находится на уровне 1  % (по массе). На основе анализа диаграммы состояния системы Cr – C определены состав шихты и верхний температурный предел реакции карбидообразования для получения карбида хрома Cr₃C₂ в порошкообразном состоянии. На основе термодинамического анализа определена температура начала реакции карботермического восстановления оксида хрома Cr2 O3 при различных давлениях СО. Изучены характеристики карбида хрома с использованием рентгенофазового анализа, пикнометрического анализа, сканирующей электронной микроскопии с применением локального энергодисперсионного рентгеновского микроанализа (EDX), низкотемпературной адсорбции азота с последующим определением удельной поверхности по методу БЭТ, седиментационного анализа, синхронной термогравиметрии и дифференциальной сканирующей калориметрии (TГ/ДСК). Полученный при оптимальных параметрах материал представлен одной фазой – карбидом хрома Cr₃C₂ . Частицы порошка преимущественно агрегированы. Средний размер частиц и агрегатов составляет 6,5 мкм с широким диапазоном распределения по размерам. Удельная поверхность однофазного образца составляет 2400  м² /кг. Окисление карбида хрома начинается при температуре примерно 640  °С и практически заканчивается при 1000  °С. Оптимальными параметрами синтеза являются соотношение реагентов по стехиометрии на получение карбида состава Cr₃C₂ при температуре 1300  °С и времени выдержки 20 мин. Показано, что для такого процесса нановолокнистый углерод является эффективным восстановителем и карбидизатором и что оксид хрома Cr₂O₃ практически полностью восстанавливается до карбида Cr₃C₂ .

1. Свойства, получение и применение тугоплавких соединений: Справочник / Под ред. Т.Я. Косолаповой. – М.: Металлургия, 1986. – 928 с.

2. Ellis J., Haw M. A hard act to follow // Materials World. 1997. Vol. 5. P. 136, 137.

3. Курлов А.С., Гусев А.И. Физика и химия карбидов вольфрама. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2013. – 272 с.

4. Huang H., McCormic P.G. Effect of milling conditions on the synthesis of chromium carbides by mechanical alloying // Journal of Alloys and Compounds. 1997. Vol. 256. Р. 258–262.

5. Gomari S., Shafari S. Microstructural characterization of nanocrystalline chromium carbides synthesized by high energy ball milling // Journal of Alloys and Compounds. 2010. Vol. 490. P. 26–30.

6. Sharafi S., Gomari S. Effects of milling and subsequent consolidation treatment on the microstructural properties and hardness of the nanocrystalline chromium carbide powders // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2012. Vol. 30. Р. 57–63.

7. Горшков В.А., Комратов Г.Н., Юхвид В.И. Получение литого высшего карбида хрома методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза // Порошковая металлургия. 1992. № 11. С. 57–60.

8. Росин И.В., Томина Л.Д. Общая и неорганическая химия. Современный курс. – М.: Юрайт, 2012. – 1338 с.

9. Ko S.-K, Won C.-W., Shon I.-J. Synthesis of Cr3C2 by SHS process // Scripta Materialia. 1997. Vol. 31. No. 6. P. 889–895.

10. Mahajan M., Rajpoot S., Randey O.P. In-situ synthesis of chromium carbide (Cr3C2 ) nanopowders by chemical-reduction route // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2015. Vol. 50. Р. 113–119.

11. Новые материалы и технологии. Экстремальные технологические процессы / Под ред. М.Ф. Жукова. – Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1992. – 183 с.

12. Preiss H., Schultze D., Szulzewsky K. Carbothermal synthesis of vanadium and chromium carbides from solution-derived precursors // Journal of the European Ceramic Society. 1999. Vol. 19. Р. 187–194.

13. Zhao Z., Zheng H., Wang Y., Mao S., Niu J., Chen Y., Shang M. Synthesis of chromium carbide (Cr3C2 ) nanopowders by the carbonization of the precursors // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2011. Vol. 29. Р. 614–617.

14. Zhao Z., Zheng H., Liu S., Chen J., Song W., Chen J. Low temperature synthesis of chromium carbide (Cr3C2 ) nanopowders by a novel precursor method // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2015. Vol. 48. Р. 46–50.

15. Eick B.M., Youngblood J.P. Carbothermal reduction of metal-oxide powders by synthetic pitch to carbide and nitride ceramics // Journal of Materials Science. 2009. Vol. 44. Р. 1159–1171.

16. Kuvshinov G.G., Mogilnykh Yu.L., Kuvshinov D.G., Yermakov D. Yu., Yermakova M.A., Salanov A.N., Rudina N.A. Mechanism of porous filamentous carbon granule formation on catalytic hydrocarbon decomposition // Carbon. 1999. Vol. 37. P. 1239–1246.

17. Krutskii Yu.L., Bannov A.G., Sokolov V.V., Dyukova K.D., Shinkarev V.V., Ukhina A.V., Maksimovskii E.A., Pichugin A.Yu., Solovyev E.A., Krutskaya T.M., Kuvshinov G.G. Synthesis of highly dispersed boron carbide from nanofibrous carbon // Nanotechnologies in Russia. 2013. Vol. 8. No. 3/4. P. 191–198.

18. Qiu H.-Y., Guo W.-M., Zou J., Zhang G.-J. ZrB2 powders prepared by boro/carbothermal reduction of ZrO2 : The effect of carbon source and reaction atmosphere // Powder Technology. 2012. Vol. 217. P. 462–466.

19. Корниенко Е.Е., Никулина А.А., Баннов А.Г., Кузьмин В.И., Мильдербрах М., Безрукова В.А., Жойдик А.А. Влияние температуры оплавления на структуру и свойства самофлюсующихся покрытий на основе никеля // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. 2016. № 4. С. 52–62.

20. Физико-химические свойства окислов: Справочник / Под ред. Г.В. Самсонова. – М.: Металлургия, 1978. – 472 с.

21. Свойства элементов: Справочник / Под ред. М.Е. Дрица. – М.: Металлургия, 1985. – 672 с.

22. West A.R. Solid State Chemistry and Its Applications. Part I. Chichester, John Wiley, 1984. – 734 p.

23. Gruner W., Stolle S., Wetzig S.K. Formation of COх species during the carbothermal reduction of oxides of Zr, Si, Ti, Cr, W, and Mo // International Journal of Refractory Metals & Hard Materials. 2000. Vol. 18. Р. 137–145.

24. Самсонов Г.В., Виницкий И.М. Тугоплавкие соединения: Справочник. – М.: Металлургия, 1976. – 560 с.

25. Blott S.J., Pye K. A grain size distribution and statistics package for the analysis of unconsolidated sediments // Earth Surface Processes and Landforms. 2001. Vol. 26. P. 1237–1248.

26. Войтович Р.Ф. Окисление карбидов и нитридов. – Киев: Наукова Думка, 1981. – 192 с.

27. Крутский Ю.Л., Галевский Г.В., Корнилов А.А. Окисление ультрадисперсных порошков карбидов бора, ванадия и хрома // Порошковая металлургия. 1983. № 2. С. 47–50.