Carbothermische Synthese von Titancarbid und Titancarbonitrid

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde die carbothermische Synthese von Titancarbid und Titancarbonitriden unterschiedlicher Zusammensetzungen untersucht. Die Versuche dazu wurden in einem Laborofen durchgeführt, der mit einem Massenspektrometer gekoppelt war, um die Freisetzung von CO während der Reaktion beobachten zu können. Für die Herstellung von TiC wurden mehrere TiO2/C-Ansätze untersucht, die unter Anwendung verschiedener Mischparameter hergestellt worden waren. Der Vergleich dieser Ansätze zeigte, dass die mit intensiven Mischbedingungen gemischten Ansätze bei niedrigeren Temperaturen reagierten als die übrigen, was sich positiv auf das Kornwachstumsverhalten auswirkte. Weiters wurde festgestellt, dass eine Kompaktierung der Pulverschüttung einen lokalen Anstieg der CO-Konzentration zur Folge hatte, was die Reaktion ebenso bei niedrigeren Temperaturen beschleunigte. Durch eine gezielte Beeinflussung der Gasphase konnte so der Reaktionsfortschritt vorangetrieben werden. Das Kornwachstum bei der Synthese von TiC findet hauptsächlich in den ersten beiden Stufen des Reaktionsmechanismus statt, in denen oxidische Zwischenstufen vorliegen. Sobald in der dritten Stufe die kubische Vorstufe von TiC gebildet wird, steigt der Schmelzpunkt stark an, wodurch das Kornwachstum verlangsamt wird. Versuche mit verschiedenen Aufheizgeschwindigkeiten haben gezeigt, dass die Korngröße des Endproduktes durch die Temperatur und die Haltezeit beeinflusst werden, nicht aber durch die Aufheizrate.<br />Zur Untersuchung der Herstellung von Ti(CxNy) wurden Ansätze mit zwei verschiedenen C-Gehalten verglichen, die jeweils mit unterschiedlicher Intensität gemischt worden waren. Wiederum konnte gezeigt werden, dass der mit höherem Energieeintrag gemischte Ansatz bei niedrigerer Temperatur reagierte, was auch die N-Aufnahme in das kubische Gitter begünstigte. Außerdem bewirkte ein für die Synthese von N-reichen Carbonitriden verminderter C-Gehalt eine leichte Erhöhung der Temperatur des Reaktionsbeginns, verursacht vermutlich durch eine niedrigere lokale CO-Konzentration. Durch die Anwendung eines zweistufigen Prozesses konnte die Bildung von Ti(C,N) beschleunigt werden. In der ersten Stufe wurde die CO-Konzentration erhöht, um möglichst schnell die Stufe der kubischen Phase zu erreichen und so die Phase des Kornwachstums zu verkürzen. Erst in der zweiten Stufe wurde N2 für die Bildung von Ti(CxNy) in den Ofen eingeleitet.

This work deals with the carbothermal synthesis of titanium carbide and titanium carbonitrides of different compositions. The experiments were carried out in a lab-scale furnace, which was coupled with a mass spectrometer for the in-situ determination of evolving CO. For the preparation of TiC, six TiO2/C batches were mixed applying different mixing parameters. The comparison of these batches during the reaction showed, that batches mixed under intensive conditions reacted at lower temperatures than those mixed using softer conditions. The decrease of the reaction temperature is beneficial for the grain size of the resulting powders. It also turned out that the compaction of the powder bed caused a local increase of the concentration of the reducing agent CO, which also accelerated the reaction at lower temperatures. By special adjustment of the gas atmosphere the progress of the reaction could be promoted.<br />The grain growth of TiC is mainly occurring in the first and the second stage of the reaction, when suboxide phases are present. As soon as in the third stage the cubic precursor phase of TiC is formed, the melting point increases and hence the grain growth is decelerated. Experiments with different heating rates showed, that the grain size of the product is dependent on the reaction temperature and the dwell, and not on the heating rate. For the investigation of the formation of Ti(CxNy) batches with two different C contents applying soft and intensive mixing conditions were compared. Again it was shown that batches which were blended with a higher input of mechanical energy reacted at lower temperatures, which also promoted the incorporation of N in the cubic lattice. The lower C content for the formation of N-rich carbonitrides caused a slight increase of the onset of the reaction, probably due to a lower local CO concentration. By the application of a two-step process the formation of Ti(C,N) could be accelerated. In the first stage, the CO concentration was elevated to reach the state of the cubic phase as soon as possible and so to shorten the period of grain growth. In the second stage N2 was provided for the formation of Ti(CxNy).