DE832205C - Verfahren zur Herstellung von Titan enthaltenden Legierungen - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung von Titan enthaltenden Legierungen Titarimetall wird nach den Angaben des Schrifttums hergestellt durch Reduktion von Titanverbindungen durch den elektrischen Strom oder mit Hilfe \-on :1lkali- oder Erdalkalimetallen, z. B. nach dem Goldschmidt-Verfahren, oder durch Reduktion von Titantetrahalogenid mit Alkali- oder 1:rdalkalimetallei lrei hoher Temperatur, bei der die reduzierenden Metalle in geschmolzener Form vorliegen. Die Abtrennung des als Nebenprodukt hierbei gebildeten Alkali- oder Erdalkalih@alogenids von dem Titanmetall erfolgt mittels verdünnter Säuren, z. 13. wäßriger Salzsäure. Bei dieser Aufarl>°iturrg lä13t es sich nicht vermeiden, Verunreinigungen, beispielsweise durch Hydrolyse des gelösten Titans, in das Metall einzubringen. Bei dem Umsetzen des Reaktionsproduktes mit Säure bildet sich immer mehr oder weniger Wasserstoff durch Einwirkung der Säure auf Reste des Alkali- bzw. Erdalkalimetalls. Dieser Wasserstoff wird vom Titanrnetall teilweise aufgenommen.
• Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Titan enthaltenden Legierungen, die in der Weise erhalten werden, dali Titanhalogenid wie jodid, Bromid, Fluorid, vorzugsweise Titantetrachlorid, mit einem Erdalkalimetall oder einer Mischung verschiedener Erdalkalimetalle oder auch Mischungen von Erdalkalimetall mit Alkalimetall oder anderen geeigneten Metallen, wie z. B. Zink, umgesetzt werden, wobei das Reduktionsmetall in zerteiltem Zustand, beispielsweise in Form von Spänen, Körnern oder Pulver, angewendet wird und wobei die Umsetzung im festen Zustand erfolgt. Als Reduktionsmetalle werden die Metalle der Gruppe 11 a des periodischen Systems eingesetzt, wobei Radium aus wirtschaftlichen Gründen für eine praktische Durchführung des Verfahrens ausscheidet und in erster Linie das Magnesium angewendet wird. Das Magnesium hat vor den anderen Reduktionsmetallen, wie Beryllium, Calcium, Barium und Strontium, zunächst den Vorteil des billigen Preises, dann aber den des niedrigen Schmelz-und Siedepunktes. In Frage kommen auch Mischungen bzw. Legierungen z. B. von Magnesium und Calcium oder auch Mischungen von Magnesium und einem Alkalimetall, z. B. Natrium, oder auch Calcium-Zink-, Magnesium-Aluminium- und Cal= cium-Aluminium-Legierungen.
• Zur Durchführung des Verfahrens wird in einem Reaktionsgefäß Reduktionsmetall, wie Magnesium in Spänen Körnern oder. Pulver,, der Einwirkung von z. B. Titantetrachlorid ausgesetzt. Hierbei muß man, da das Titanmetall sich leicht mit Sauerstoff und/oder Stickstoff und/oder Kohlenstoff umsetzt, entweder mit einem Schutzgas, wie einem Edelgas, wie Helium oder Argon, oder Wasserstoff arbeiten oder die Reduktion im Vakuum durchführen. Das Verfahren wird beispielsweise wie folgt durchgeführt: Ein Magnesiumspäne enthaltendes Reaktionsgefäß, z. B. ein Stahlrohr, wird angeheizt, z. B. auf eine Temperatur von etwa 5oo bis 55o°, und dann Titantetrachlorid zugegeben. Bei dieser Temperatur zündet das Magnesium und reduziert das Titantetrachlorid zu Titanmetall, das sich mit einem Teil des Magnesiums zu vlagnesiumtitanid verbindet; als Nebenprodukt entsteht Magnesiumchlorid. Durch Regelung der Zugabe des Titantetrachlorids wird die Temperatur im Reaktionsrohr dauernd so gehalten, daß das Magnesium nicht zum Schmelzen kommt. Das Magnesium brennt, an einer Stelle beginnend, langsam ab, und diese Arbeitsweise führt zu Magnesiumtitanid (MgzTi), das je nach den Herstellungsbedingungen einen Ltberschuß an Magnesium oder auch an Titan aufweisen kann. Wenn das Reaktionsrohr in schräger Lage eingebaut ist, fließt die Ilauptmenge des gebildeten Magnesiumchlorids von der Reaktionsstelle ab, z. B. in ein am Reaktionsrohr angebrachtes Auffanggefäß. Die Abtrennung des l@lagnes,iumchlorids läßt sich erleichtern durch Einbau eines Rostes oder Siebes. In entsprechender Weise wird bei Verwendung von Calcium, Barium oder Strontium Calcium-, Barium- oder Strontiumtitanid der entsprechenden Formel CazTi, Ba1Ti, Sr2Ti erhalten. Diese Titanide können nur auf dem erfindungsgemäßen Wege erhalten werden, d. h. bei Umsetzung von Titanhalogenid mit 1?rdalkalimetall bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des angewendeten Erdalkalimetalls. Steigt die Reaktionstemperatur auf oder über den Schmelzpunkt des angewendeten Erdalkalimetalls, so hört die Bildung von Erdalkalititanid auf. Auf dein Wege über Erdalkalititanid ist es möglich, zu reinem Titanmetall zu kommen, indem man das Titanid auf Zersetzungstemperatur erhitzt, wobei das abdestillierende Erdalkalimetall wiedergewonnen

  werden kann. Es ist so möglich, die Gewinnung

  von Titanmetall in zwei Stufen vorzunehmen, in-

  dem man zunächst in einer Vorrichtung das Erd-

  alkalititanid herstellt und dieses anschließend in

  einer anderen Vorrichtung bis zur Zersetzung

  erhitzt, wobei gegebenenfalls die Temperatur bis

  zum Schmelzen des zunächst erhaltenen schwamm-,

  blättchen- oder pulverförmigen Titanmetalls ge-

  steigert werden kann. Andererseits ist es auch

  möglich, in derselben Vorrichtung zunächst bei

  niederer Temperatur Erdalkalititanid herzustellen

  und dieses anschließend durch Erhöhung der Tem-

  peratur in Erdalkalimetall und Titanmetall zu

  zersetzen. Hierbei kann die Temperatur so weit

  gesteigert werden, daß nach dem Abdestillieren des

  Erdalkalimetalls das zunächst in verteilter Form

  erhaltene Titan zu einem I2.egulus zusammen-

  schmilzt.

  Um andere als Erdalkalimetall-Titan-Legierun-

  gen herzustellen, kann man erfindungsgemäß in der

  Weise vorgehen daß man <las vorzugsweise zer-

  kleinerte Erdalkalititanid mit mindestens einem

  ebenfalls vorzugsweise zerkleinerten anderen Me-

  tall, das einen höheren Siedepunkt hat als das an-

  wesende Erdalkalimetall, wie z. B. Kupfer, Zink,

  Eisen, Kobalt, Nickel usw., vermischt und dieses

  Gemisch bis zur Zersetzungstemperatur des Erd-

  alkalititanids erhitzt, wobei Sauerstoff, Stickstoff

  oder Kohlenstoff bzw. diese abspaltende Stoffe

  ausgeschlossen werden. Durch Verflüchtigung des

  Erdalkalimetalls -,verden praktisch erdalkalifreie

  titanhaltige Legierungen erhalten. Dieses Ver-

  fahren ist besonders von Bedeutung für die Her-

  stellung solcher Titan enthaltenden Legierungen, die

  auf anderem Wege nur schwer oder gar nicht er-

  hältlich sind. :Auf dein üblichen Wege, d. h. durch

  Zusammenschmelzen von Titan mit einem Legie-

  rungsmetall, lassen sich praktisch nur solche Le-

  gierungen herstellen, bei denen <las Legierungs-

  metall ein spezifisches Gewicht und einen Schmelz-

  punkt aufweist, der nicht Nveit von dem spezifischen

  Gewicht bzw. dem Schmelzpunkt des Titans ab-

  weicht. Nach dein erfindungsgemäßen Verfahren

  lassen sich jedoch grundsätzlich Legierungen des

  Titans finit beliebigen Metallen herstellen.

  Erfindungsgemäß kann man auch noch einen

  anderen Weg zur Herstellung von Titan enthalten-

  den Legierungen gehen, indem man ein Gemisch

  von Titanhalogenid und dem Halogenid des Me-

  talls oder auch mehrerer Metalle die einen höheren

  Siedepunkt haben als das anwesende Erdalkali-

  metall, dessen bzw. deren Legierung mit Titan

  man herstellen will, mit Hilfe von Erdalkalimetall

  reduziert. Es wird dann eine Legierung erhalten

  aus Erdalkalimetall, Titan und dem Metall oder

  den Metallen, das oder die in Halogenidform zu-

  gesetzt war bzw. waren. Durch Erhitzen unter

  Ausschluß von Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlen-

  stoff bzw. diese abspaltende Stoffe bis zum Ab-

  destillieren des Erdalkalimetalls wird dann eine

  Legierung von Titan mit dem oder den in Form

  von Halogenid zugesetzten \-letall(en) erhalten.

  Auf diesem Wege lassen sich beispielsweise Le-

  gierungen des Titans mit Vanadin, Eisen, Kupfer usw. herstellen.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden Überzüge von Titan oder Titan enthaltenden Legierungen auf Gegenständen, z. B. aus Metall oder keramischen Stoffen, erzeugt. Hierbei geht man in der Weise vor, daß man den zu überziehenden Gegenstand in Erdalkalititanid bzw. eine NI ischung oder Legierung von Erdalkalititanid mit mindestens einem anderen Metall, das einen höheren Siedepunkt hat als das anwesende Erdalkalimetall, einbettet und diese Mischung mindestens bis zur Zersetzungstemperatur des Titanids aufheizt, wobei Sauerstoff, Stickstoff. oder Kohlenstoff bzw. diese abspaltende Stoffe ausgeschlossen werden. Es werden auf diese Weise gleichmäßige Überzüge von "Titan oder Titan enthaltenden Legierungen erzielt. Die Dicke des Überzuges läßt sich naturgemäß durch die Menge des Titanids und durch die Dauer der Behandlung einstellen. Beim Überziehen von metallischen Gegenständen läßt sich durch die Dauer der Wärniebehandlung die Diffusionstiefe des Titans in das Grundmetall einstellen.
• Enthält der metallene z. B. eiserne Gegenstand Kohlenstoff und/oder Sauerstoff und/oder Stickstoff, so wird Kohlenstoff und/oder Sauerstoff und/oder Stickstoff in die neugebildete Titanschicht aufgenommen, und es wird durch die Bildung von Titankarbid und/oder -oxyd und/oder -nitrid eine Härtung der Titanoberfläche bewirkt. Andererseits ist es auch möglich, eine ähnliche Härtung dadurch zu erzielen, (iaß man eine titanierte Oberfläche bei höherer "Temperatur der Einwirkung von Stickstoff oder Stickstoff abspaltenden Stoffen bzw. Kohlenstoff oder Kohlenstoff abspaltenden Stoffen oder Sauerstoff oder Sauerstoff abspaltenden Stoffen aussetzt.
• Auch bei der Herstellung dieser Überzüge kann man in der Weise vorgehen, daß man den zu überziehenden Gegenstand in zerteiltes Erdalkalimetall z. B. einbettet und Titanhalogenid bzw. ein Gemisch von Titanhalogenid und mindestens einem Metallhalogenid frei entsprechender Temperatur auf das Erdalkalimetall einwirken läßt, wobei Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlenstoff bzw. diese abspaltende Stoffe ausgeschlossen werden. Nach entsprechender Wärmebehandlung wird auf dem Gegenstand ein Überzug von Titan oder der gewünschten Titan enthaltenden Legierung erhalten.
• Bei der Herstellung von Titanüberzügen ist es nicht erforderlich, (las gebildet-, Erdalkalihalogenid abzutrennen. Zur Herstellung von Legierungen und auch Überzügen ver@vendet man vorteilhaft ein Gemisch von Titanid und Erdalkalichlorid, wobei das Erdalkalichlorid als Schutzsalz dient. Es ist natürlich vorteilhaft. die Hauptmenge des gebildeten Erdalkalilialogeiiids, wie oben beschrieben, in flüssigem Zustand bei der Herstellung abzutrennen. 13 ei spiel1 In einem schräg gestellten, leer gepumpten Stahlrohr werden 5 kg Nlagnesiumspäcie mit Titantetrachlorid zur Umsetzung gebracht. Die Späne werden an einer Stelle auf die Zündtemperatur von 5500 erhitzt. Durch geregeltes Zuführen des Titantetra.-chlorids wird die Reaktion in Gang gehalten, und zwar so, daß immer ein Druck von etwa Zoo mm Wassersäule im Gefäß aufrechterhalten wird. Hierbei setzt sich das gesamte Magnesium mit 18 kg Titantetrachlorid um, woraus sich 5 kg Magnesiumtitanlegierung (MgQTi) und 18 kg Magnesiumchlorid bilden. Das Magnesiumchlorid wird zum größten Teil in einem an dem Reaktionsrohr angebrachten Gefäß aufgefangen.
• Durch Erhöhung der Temperatur wird die Magnesium-Titan-Legierung thermisch zersetzt; das Magnesium destilliert unterhalb des Siedepunktes ab und kann durch Kühlung wieder gewonnen werden, während das Titan praktisch rein in Schwammform hinterbleibt. Beispiel e In einem Tonerdetiegel werden 50 g Kupferspäne in einer Länge von etwa i bis 5 mm im Gemisch mit 15 g Magnesiumtitanidkörnern mit etwa 3 bis io mm Durchmesser eingebracht und diese Mischung in einem elektrisch beheizten Tiegelofen, der evakuiert wird, auf etwa iooo° erhitzt. Hierbei wird eine Kupfer-Titan-Legierung mit 4,2% Titan erhalten. Be ispiel3 In gleicher Weise wird aus 5o g Kupferspänen mit ioo g gekörntem Magnesiumtitanid eine Legierung mit 35,7% Titan erhalten. Bei spiel4 Aus 5o g Kupferspänen und 120g gekörntem Magnesiumtitanid wird in gleicher Weise eine Kupfer-Titan-Legierung mit 399% Titan erschmolzen. Beispiel s 25 g Magnesiumspäne, 15 g Aluminiumgrieß und 509 gekörntes Magnesiumtitanid werden bei 700° in einem Tonerdetiegel gut durchgeschmolzen. Es wird eine Magnesium-Aluminium-Titan-Legierung mit 9,3% Titan erhalten. Beispiel 6 In einem Graphittiegel werden 25 g Magnesium und 15 g Aluminium eingeschmolzen. Dazu werden bei einer Temperatur von 675° 5o g Magnesiumtitanid zugegeben und die Mischung durchgeschmolzen. Erhalten wird eine Magnesium-Aluminium-Titan-Legierung mit 29,3% Titan.
• Beispiel ? 75 g reines Aluminium werden in einem Graphittiegel bei 75o° einsgeschmolzen. Hinzugegeben werden 25 g Magnesiumtitanid. Die. erhaltene Magnesium-Aluminium-Titan-Legierung enthält 9,5% Titan.
• Beispiel 8 Ein Eisenring mit einem Innendurchmesser von 6 mm und einem Außendurchmesser von io mm und 8 mm Höhe wird zusammen mit dem Reaktionsprodukt aus der Umsetzung von l@-lagnesium mit Titantetrachlorid im Vakuum von 1o-° Torr in einem Bergkristallrohr, das elektrisch beheizt wird, '/2 Stunde auf i ioo° erhitzt. Hierbei bildet sich auf dem Ring ein fest haftender Titanmetallüberzug aus. Die Stärke des Überzuges ist abhängig von der angewandten :Menge der Magnesium-Titan-Legierung.
• i. Ein Eisenring der obenerwähnten Größe, der ein Gewicht von 9,7 g hat, wird in io g gekörntes Magnesiumtitanid eingebettet, und wie beschrieben, erhitzt. Nach dieser Behandlung hat der Eisenring ein Gewicht von io g. Es hat sich also ein Titaninetallüberzug v011 0,3 g gebildet; 2. ein Eisenring der obenerwähnten Größe, der ein Gewicht von 9,5 g hat, wird in 15g gekörntes Magnesiumtitanid eingebettet und, wie beschrieben, erhitzt. Nach dieser Behandlung hat der Eisenring ein Gewicht von 1o,5 g. Es hat sich also ein Titanmetallüberzug von i,o g gebildet; 3. ein Eisenring der obenerwähnten Größe, der ein Gewicht von 9,5 g hat, wird in 15 g gekörntes l@lagnesiumtitatiid und 3 g feine Kupferspäne eingebettet und, wie beschrieben, erhitzt. Nach dieser Behandlung hat der Eisenring ein Gewicht von i i,o g. Es hat sich also ein Kupfer-Titanmetallüberzug von 1,5 g gebildet. Die Kupfer-Titan-Legierung hat einen Gehalt von 351/o Titan.
• An Stelle des Eisenringes wird ein Sinterkorundschiffchen in llagnesiumtitanid eingebettet und auf iioo° im Vakuum erhitzt. Das Sinterkorundschiffchen hat folgende Maße: Länge 8o min, Höhe 5 mm, Breite io mm.
• i. Ein Sinterkorundschiffchen der obenerwähnten Größe, das ein Gewicht von 10,7g hat, wird in 25 g gekörntes Nlagnesiumtitanid eingebettet und, wie beschrieben, erhitzt. Nach dieser Behandlung hat das Sinterkorundschiftchen ein Gewicht von ii,i g. Es hat sich also ein Titaninetallüberzug von 0,4- gebildet; 2. ein Sinterkorundschiffchen der obenerwähnten Größe, das ein Gewicht von i i g hat, wird in 25 g gekörntes Magnesiumtitanid eingebettet und, wie beschrieben, erhitzt. Nach dieser Behandlung hat das Sinterkorundschiffchen ein Gewicht von 13 g. Es hat sich also ein Titanmetallüberzug von 2 g gebildet; 3. Ein Sinterkorundschiffchen der obenerwähnten Größe, (las ein Gewicht von 10,3g hat, wird in 25g gekörntes Magnesiumtitanid und 1,5 g feine Kupferspäne eingebettet und, wie beschrieben, erhitzt. Nach (fieser Behandlung hat das Sinterkorundschiffche n ein Gewicht von 12,3 g. Es hat sich also ein Kupfer-Titatimetallüberzug von 2 g gebildet.
• 1>1e Kupfer-Titan-Legierung hat einen Gehalt von 35 % Titan. Das in den Beispielen 2 bis 8 angewendete '4lagnesiumtitanid enthält etwa ioo/o \Iagnesiumclilorid.
• In der Zeichnung ist eine Einrichtung zur Herstellung von Titan enthaltenden Legierungen bzw. Titanmetall dargestellt. In denn geneigt angeordneten evakuierten Reaktionsrohr i befinden sich Magnesiumspäne 2, die mit dem aus dem Gefäß 3 durch die Rohrleitung 4 zugeführten Titantetrachlorid zur Umsetzung gebracht werden. Das

  Magnesium wird mittels des Gebläses 5 gezündet

  und reduziert das Titantetrachlorid zu Titanmetall,

  das sich mit einem Teil des 1(agnesiums zu

  Magnesiumtitanid verbindet. Als Nebenprodukt

  entsteht Magnesiuincliloi-i(1, das zum größten Teil

  in einem an dem Reaktionsrohr i angebrachten Be-

  hälter 6 aufgefangen wird.

  Um unter dein Schmelzpunkt des Magnesiums

  zu bleiben und ein langsames Abbrennen des

  Magnesiums zu gewährleisten. wird die Zugabe des

  Titantetrachlorids durch den Absperrhahn 7 ge-

  regelt. Auf dem Deckel des Titantetrachlorid-

  gefäßes 3 ist als Abschluß gegen die äußere Atmo-

  sphäre ein siphonartiges Rohr 8 angeordnet, das

  eine Chlorcalciumfiillung enthält.

  Zur Aufrechterhaltung des Unterdruckes im

  Reaktionsrohr i dient die Vaktiumptimpe 9, in deren

  Saugleitung io eine beispielsweise mit Trockeneis

  beschickte Kühlfalle ii angeordnet ist, die dazu

  dient, ins Saugrohr eingezogene Titantetrachlorid-

  dämpfe mit Sicherheit iiiederzusclilagen und damit

  von der Vakuumpumpe fernzuhalten. In die Saug-

  leitung io ist zwischen der Kühlfall(° i i und dem

  Reaktionsrohr i ein Absperrorgan 12 angeordnet.

  Zur Kontrolle des ]in Reaktionsrohr herrschenden

  Druckes dient das Manonietcr 13.

Claims (1)

1. PATENTANSPeücHt:: i. Verfahren zur Herstellung von Titan ent- haltenden Legierungen, dadurch gekennzeichnet, daß Titanhalogenid, vorzugsweise Titantetra- chlorid, mit einem Erdalkalimetall, vorzugs- weise mit Magnesium, in zerteiltem Zustand, beispielsweise in horni von Spänen, Körnern oder Puder, oder einer -Mischung verschiedener Erdalkalimetalle oder auch -Mischungen bzw. Legierungen von Erdalkaliinetall mit Alkali- metall oder anderen Metallen, wie z. B. Zink, bei einer Temperatur unterhalb des Schmelz- punktes des Reduktionsmittels reduziert wird. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Unisetzung in Abwesen- heit von Sauerstoff und Stickstoff, z. 13. in einer Atmosphäre eures Schutzgases, wie Edelgas oder Wasserstoff, oller ini Vakuum erfolgt. 3. Verfahren zur Herstellung von Titan= metall aus den nach den Ansprüchen i und 2 erhaltenen Legierungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungen thermisch zersetzt werden und gegebenenfalls das oder die al>destillie- rende(n) Erdall;alimetall(e) wiedergewonnen wird bzw. Nverden. 4. Verfahren zur Herstellung von Mehrstoff- legierungen aus den nach (1°n Ansprüchen i und 2 erhaltenen Legierungen, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Erdalkalimetall-Titan-Legie- rungen mit anderen Metallen gemischt und er- hitzt werden. 5. Verfahren zur 1derstellung von Titan ent- haltenden Legierungen nach -lnspruch 1, da- durch gekennzeichnet, daß die Erdalkalimetall enthaltenden Mehrstofflegierungen thermisch zersetzt werden. 6. Verfahren zur Herstellung von Titan enthaltenden -Mehrstoff legierungen nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch von Halogeniden von Titan und von mindestens einem anderen Nietall mittels Erdalkalimetall, vorzugsweise Magnesium, reduziert wird. 7. Verfahren zur Herstellung von Titan enthaltenden Legierungen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zunächst erhaltenen Erdalkali enthaltenden Legierungen thermisch zersetzt werden. B. Verfahren zur Herstellung von Titan enthaltenden Überzügen auf Gegenständen, z. B. aus Metall oder keramischen Stoffen, dadurch gekennzeichnet, daß der zu überziehende Gegenstand mit Erdalkalimetall-Titan-Legierungen, wie sie nach den .lnsprüchen i und 2 erhalten werden, oder mit Gemischen von Erdalkalimetall-Titan-Legierungen und anderen Metallen zusammen erhitzt werden, und das Gemisch thermisch zersetzt wird. 9. Abänderung des Verfahrens zur Herstellung von Titan enthaltenden Überzügen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zu überziehende Gegenstand in Erdalkalimetall eingebettet oder damit bedeckt, Titanhalogenid oder ein Gemisch von Titanhalogenid und mindestens einem anderen Metallhalogenid zugesetzt und durch das Erdalkalimetall reduziert und gegebenenfalls das primär erhaltene Erdalkalimetall-Titan- und gegebenenfalls Zusatzmetall-Legierungsgemisch thermisch zersetzt wird. . io. Verfahren zum Härten der nach den Ansprüchen 8 und 9 hergestellten Titanüberzüge, dadurch gekennzeichnet, daß die Titanüberzüge in Gegenwart von Kohlenstoff, Sauerstoff und/ oder Stickstoff abgebenden Mitteln thermisch behandelt werden.