Studies on hydrolyzable carbides. XXII: The carbothermal reduction of scandium oxide Sc₂O₃

Abstract

The composition of the products of carbothermal reduction of Sc₂O₃ is examined by X-ray diffraction and chemical analysis and by the hydrolysis method. At pressures of 10⁻²-1 Pa, the reaction starts in the temperature region of 1 000–1 200°C. The first product is Sc₂OC of NaCl type; at 1 Pa and 1 400–1 500°C this substance is formed quantitatively (according to stoichiometry) within 50–100 h, repeated homogenization, however, is necessary, or else Sc₂OC reacts locally with Sc₂O₃ giving Sc₂O_1+x C_1−x . The lattice parameter of Sc₂OC in the presence of Sc₁₅C₁₉ is 457.6₃pm. At temperatures above 1 500°C, Sc₁₅C₁₉ is incompletely formed by subsequent reaction with carbon. The product melts at cca. 1 800°C; carbon dissolves and the final composition approaches ScC₂. Carbon separates during solidification. The phase fractions in the products are affected by evaporation, the vapour pressures above both Sc₂OC and Sc₁₅C₁₉ being comparable with the pressure requisite for the carboreduction process. The results are discussed with respect to the often ambiguous published data.

Zusammenfassung

Zur Untersuchung von Produkten der karbothermischen Reduktion von Scandiumoxid wurden sowohl röntgenographische und chemische Analyse als auch die hydrolytische Methode verwendet. Bei 10⁻² bis 1 Pa beginnt die Reaktion im Temperaturintervall von 1 000–1 200°C. Das erste Reaktionsprodukt ist das Scandiumoxidcarbid Sc₂OC von NaCl-Typ, das quantitativ (der Stöchiometrie entsprechend) bei 1 400–1 500°C und 1 Pa in 50–100 Stunden entsteht. Eine wiederholte Homogenisierung ist allerdings notwendig, damit es zu keiner lokalen Reaktion zwischen Sc₂OC und Sc₂O₃ kommt, bei der dann die Phase Sc₂O_1+x C_1−x entsteht. In Gegenwart von Sc₁₅C₁₉ ist der Gitterparameter von Sc₂OCa=457.6₃pm. Über 1 500°C führt eine weitere Reaktion mit Kohlenstoff zu einer nicht ganz vollendeten Bildung von Sc₁₅C₁₉. Bei cca. 1 800°C schmilzt das Reaktionsprodukt bei gleichzeitiger Auflösung von weiterem Kohlenstoff und die Zusammensetzung nähert sich der Formel ScC₂, beim Erstarren fällt der Kohlenstoff wieder aus. Die Verteilung der Phasen im Produkt wird von der Verdampfung beeinflußt, da die Dampfdrucke von Sc₂OC und Sc₁₅C₁₉ mit dem zum Karboreduktionverlauf notwendigen Druck vergleichbar sind. Die erhaltenen Ergebnisse werden in Relation mit den nicht eindeutigen Angaben in der Literatur diskutiert.