Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...
национальная академия наук украины

национальная академия наук Украины

Институт проблем материаловедения

им. И.М. Францевича

Полищук Владимир Сидорович

УДК 621.762: 921.1: 669.018.45

интенсификации процессов получения
карбидов, нитридов и композиционных
материалов на их основе

05.16.06 - порошковая металлургия и композиционные материалы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени
доктор технических наук
в виде опубликованной монографии

Киев - 2004

Диссертация оформлена в виде опубликованной монографии.

Работа выполнена в Научно-технологическом центре "Реактивэлектрон" при Донецком физико-техническом институте им. А.А. Галкина НАН Украины.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, академик НАН Украины

Кислый Павел Степанович

Институт сверхтвердых материалов им. & Nbsp; В.М. Бакуля НАН Украины, главный научный сотрудник

доктор технических наук, профессор, член-корр. НАН Украины

Гнесин Георгий Гдалович

Институт проблем материаловедения им. & Nbsp; И.М. Фран-цевича НАН Украины, ведущий научный сотрудник

доктор технических наук, профессор

Орданьян Сукяс Семенович

Санкт-Петербургский технологический институт (Технический университет), заведующий кафедрой химической технологии тонкой технической керамики

Ведущая организация: Национальный технический университет Украины "КПИ", кафедры высокотемпературных материалов и порошковой металлургии, металло-знавства и термической обработки инженерно-физического факультета

Защита состоится "23" февраля 2004 в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д206.207.03 Института проблем материаловедения им. И.М. Францевича НАН Украины по адресу: 03680, Киев-142, ул. Кржижановского, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института проблем материаловедения им. И.М. Францевича НАН Украини (03680, Киев-142,ул. Кржижановского, 3).

Автореферат разослан "14" января 2004

Ученый секретарь
ученого совета Д206.207.03 Минакова Р.В.загальна характеристика работы

Актуальность проблемы. Одной из важнейших проблем технического прогресса является разработка новых материалов, имеющих необходимые свойства, создание технологии их получения и производства.

Широким комплексом полезных свойств обладают карбиды и нитриды переходных металлов. Высокие температура плавления, твердость, износостойкость, устойчивость во многих агрессивных средах, специфические магнитные и электрические свойства, доступность но не дефицитность исходных компонентов делают эти материалы перспективными для космической техники и атомной энергетики, химии, машиностроения, электроники и многих других современных отраслей техники. < / p>

Уникальные свойства имеют нитриды алюминия и кремния. Значительные модуль упругости и жаропрочность позволяют применять нитрид кремния для производства инструментальной керамики, непрерывных волокон и усов при создании композитов, из которых изготавливают детали и узлы керамических газотурбинных двигателей, насосов и запорной арматуры, работающих в условиях высоких температур и агрессивных сред. Благодаря совокупности электро- и теплофизических, механических, оптических и других свойств керамика на основе нитрида алюминия используется как теплопроводник корпусов мощных транзисторов, светодиодов и полупроводниковых лазеров.

Ряд карбидов тугоплавких металлов незаменимы в ядерных энергетических установках как конструкционные элементы активной зоны, замедлю-телей и отражателей нейтронов, матричных элементов для наполнения дисперсной ядерным горючим. Высокие твердость и хрупкость обеспечивают карбида переходных металлов лидирующее положение в металлообрабатывающей промышленности в качестве абразивов. Отсутствие промышленной технологии, которая бы обеспечивала возможность производства крепких абразивных зерен карбидов переходных металлов, сдерживала их массове использования в технике.

В последние годы интенсивно развивается метод финишной обработки металлов, сплавов и полупроводниковых материалов с использованием магнитного поля. Он позволяет не только интенсифицировать и автоматизировать весь процесс обработки, но и существенно повысить уровень качества и устойчивость изделий, которые обрабатываются. Важнейшим элементом в этом процессе является инструмент, своеобразно самоорганизующейся в магнитном поле композиционный магнитоабразивний порошок, который состоит из магнитной и абразивной компонент и сочетает в себе магнитные и абразивные свойства. От уровня этих свойств в значительной степени зависят производительность процесса и качество изделия, обрабатывается. Для успешного развития данного метода необходим широкий набор композиционных магнитоабразивних порошков, которые обеспечивают высокие режущие и магнитные свойства. Перспективными для этой цели является композиционные порошки на основе карбидов переходных металлов и железа.

Широкое использование тугоплавких соединений в различных отраслях техники вызвало необходимость создания их устойчивого промышленного производства. В этой связи с этим в ряде промышленно развитых стран, в том числе и в Украине, были созданы предприятия по производству порошков и изделий из бескислородных тугоплавких соединений. В частности, на Донецком заводе химических реактивов, который специализировался в области тонкой химической технологии чистых и особо чистых неорганических веществ, в 1980 1990 годах было развито промышленное производство порошков тугоплавких соединений. Для исследовательской и производственной цели был необходим широкий ассортимент этих соединений достаточно высокой степени чистоты, который обеспечил бы получение материалов с требуемыми свойствами. В основу производства в начале его зарождения были возложены лабораторные "печные" методики, разрабатывались ИПМ им. И.М. Францевича НАН Украины, как наиболее универсальные и доступные, что позволяло тонко управлять температурными и временными параметрами синтеза практически всех известных фазкарбидов и нитридов.

Структура и свойства спеченных компактных материалов на основе тугоплавких соединений, используемых в современной технике, в значительной степени зависят от физико-химических свойств исходных порошков их дисперсности, формы частиц, примесей, дефектности кристаллической решетки и др. Поэтому для разработки научно обоснованных принципов управления свойствами порошков и компактных материалов, получаемые из них, необходимы знания о физико-химические процессы их получения, влияющих на эти свойства. Был необходим комплексный подход в исследовании и организации всего технологического процесса от подготовки сырья к синтезу и контроля качества продукта, получаемого в промышленных масштабах.

Св Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертация соответствует основным направлениям исследований Научно-технологического центра "Реактивэлектрон" при ДонФТИ им. А.А. Галкина НАН Украины, которые проводились в течение последних 15 лет, а именно направлению: «Синтез порошков тугоплавких соединений и композиционных материалов на их основе".

Работа выполнена в рамках таких государственных программ и тем: государственная программа "Сверхтвердые керамические конструктивные и функциональные материалы" проект 7.4.6.2. (1992 1995 pp.) "Разработка и изготовление экспериментальных образцов термо- и износостойких центробежных керамических насосов и шаровых кранов с основными элементами из материала на основе нитрид кремния", шифр 1121929200048, гос. реестр. №uA01005483P; проект 07.04.06 / 056-92 (1994 1995) "Разработать технологию синтеза высокочистого нитрида алюминия с дозированной легированием и организовать его промышленный выпуск", шифр 1121929500016, гос. реестр. №uA01005479P; "Закономерности формирования композиционных материалов с экстремальными электромагнитными, электрофизическими и физико-механическими свойствами" код 53.39.01, гос. реестр. №01020003200 (2002 2003).

Работы в данном направлении проводились при поддержке министерства образования и науки и Министерства промполитики Украины: "Магнитоабразивни материалы на основе карбида титана и железа" (1995 г.), шифр 1121959600015, гос. реестр. №0195V014079; "Разработка промышленной технологии высокоэффективных, термо- и химически стойких металлокерамическими фильтров" шифр 1122949500069, гос. реестр. №019V029694.

Комплекс исследовательских, опытных и конструкторских работ выполнен в соответствии с планами технического перевооружения производства тугоплавких соединений Донецкого завода химических реактивов (1984 1987), Опытного завода Научно-технологического центра "Реактив-электрон" НАН Украины (1987 1992 ).

Цель и задачи работы. Цель диссертационной работы заключается в решении комплексной научно-прикладной проблемы интенсификации массообменных процессов высокотемпературного гетерогенного синтеза порошков карбидов, нитридов и композиционных материалов на их основе путем нахождения закономерностей этих процессов и создание технологии и оборудования, обеспечивающих эффективность и воспроизводимость процессов получения веществ и материалов с повышенным уровнем свойств в промышленных условиях.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Изучить кинетику гетерогенных высокотемпературных процессов получения карбидов и нитридов при взаимодействии элементов и восстановлении их оксидов в зависимости от комплекса технологических факторов: дисперсности исходных компонентов, температуры синтеза, условий компактирования и геометрических параметров выходных шихты, выявить влияние масштабных факторов и разработать пути интенсификации этих процессов.

2. Изучить условия высокотемпературных процессов синтеза карбидов переходных металлов в виброперемищуваному слое и разработать промышленное оборудование для их реализации в производстве.

3. Выявить закономерности получения прочных кристаллических образований при жидкофазного взаимодействия капель переходных металлов и высокодисперсного углерода, создать на их базе промышленную технологию вРезультаты определена широким промышленным использованием комплекса технологий и реализующего их оборудования.

Научная новизна. 1. На базе оригинальных технических решений впервые систематически и комплексно изучены закономерности массообменных процессов синтеза нитридов переходных металлов в псевдоожиженном слое и в условиях многократных деформационных действий на выходные металлические порошки и промежуточные продукты реакции при высокотемпературном вибропомоли. Установлено, что высокотемпературный насыщения металлических порошков азотом в вихревом псевдоожиженном слое подчиняется параболическому, а в условиях высокотемпературного вибропомолу линейному закону. Факторами, определяющими интенсивность синтеза нитридов в условиях вибропомолу, является непрерывное разрушение нитридных пленки, образованной на поверхности металлической частицы и диспергирования, а в условиях вихревого псевдоожиженного слоя дисперсность исходных порошков и пористость слоя. Интенсивность измельчения нитридов переходных металлов с повышением температуры снижается в результате увеличения их пластичности и более быстрого залечивания образованных щелей. Химическое взаимодействие металлических порошков с азотом существенно ускоряет процесс диспергирования. Синтез нитридов в условиях высокотемпературного вибропомолу приводит к значительному накоплению энергии деформированной решетки, способствует более интенсивному процессу их спекания. Получение нитридов в вихревом псевдоожиженном слое и в условиях высокотемпературного вибропомолу позволяет не только интенсифицировать процесс синтеза, но и исключить влияние масштабных факторов на производство нитридов в промышленных объемах.

2. Впервые реализован и системно изучен высокотемпературный синтез карбидов переходных металлов путем восстановления оксидов углеродом в виброперемищуваному слое. Процесс синтеза характеризуется рядом особенностей и выдвигает ряд требований к состоянию выходных шихты и режима их нагрева. Установлено, что максимальные размеры агломератов уплотненных выходных шихты ограничиваются тормонием массообменных процессов в тонких порах шихты и необходимостью обеспечения их сохранности, а минимальные сохранением достаточной подвижности реакционной массы, виброперемищуванои по высокотемпературной зоне. Вибрация с частотой 20 100 с 1 и амплитудой 1 3 мм существенно не влияет на интенсивность реакции при условии, что агломераты шихты, промежуточных и конечных продуктов не разрушаются. Интенсивное газовыделение на начальной стадии восстановления оксидов требует специальных режимов нагрева и условий компактирования шихты, обеспечивающие их прочность, допустимую скорость реакции и высокий уровень качества получаемых продуктов.

3. Впервые системно изучены условия синтеза карбидов переходных металлов при жидкофазного взаимодействия частиц исходных металлов с высокодисперсной углеродом, обеспечивающих получение прочных зерен и колоний монокристаллов. На примере синтеза карбидов титана, ванадия и хрома установлены факторы, влияющие на интенсивность и полноту протекания реакции. Показано, что специальный режим нагрева уплотненных смесей крупных (до 1 мм) частиц металлических порошков и высокодисперсного углерода, способствует максимальном участии жидкой металлической фазы в быстрых процессах смачивания, растекания и пропитки углерода, обеспечивает интенсивный синтез зерен карбидов с высокими прочностными и абразивными свойствами. Твердостью, прочностью, абразивной способностью и размером абразивных зерен получаемых карбидов можно в широких пределах управлять, варьируя химический и дисперсный состав шихты, легирования, режимы нагрева и измельчения карбидов. Разработанный способ обеспечивает значительный (более 50%) выход крупных (более 160 мкм) и крепких абразивных зерен карбидов, высокий уровень качества карбидов по химическому составу.

4. Впервые изучены условия синтеза композиционных магнитоабразив ных порошков на основе карбидов переходных металлов и железа непосредственно из простых веществ по схеме Me + C + Fe. Показано, что основными продуктами химического взаимодействия при нагревании выхидных дисперсных карбидообразующих металлов, высокодисперсного углерода и железа является карбиды переходных металлов и? -железо, за исключением системы Cr C Fe, где образуются сложные соединения хрома, железа и углерода. Установлено, что в ряде карбиды переходных металлов ИVа, Vа, VIа групп железо в композиционных магнитоабразивних материалов, синтезированных по разработанной технологии, максимальный уровень эксплуатационных свойств наблюдается у системе карбиды ИVа группы железо, обусловлено высокой твердостью карбидов и минимальной взаимной растворимостью компонентов (ТиС Fе).

5. Разработаны принципы получения модельных композиционных магнитоабразивних порошков, которые позволяют в широких пределах с высокой точностью управлять их химическим и фазовым составами, структурой, формой и геометрическими параметрами, что немаловажно при установлении оптимальных свойств порошков.

6. Разработаны принципы интенсификации процессов получения карбидов и нитридов при взаимодействии элементов и восстановлении оксидов, а также условия управления морфологией, химическим и фазовым составом, дисперсностью и физико-механическими свойствами синтезированных порошков. Показано, что интенсивность массообменных процессов восстановления оксидов углеродом и при синтезе нитридов из элементов существенно зависит от масштабных факторов. Торможение массообменных процессов наблюдается при достижении критической массы загрузки вследствие высокого сопротивления перемещению молекул газа в тонких порах шихты. Установлено, что важнейшими факторами интенсификации процессов получения карбидов и нитридов являются: перевод взаимодействующих компонентов в псевдоожиженный или жидкое состояние; разбавления их инертными наполнителями с целью сглаживания тепловых эффектов и улучшение газопроницаемости; структурирования шихты исходных компонентов; механическая активация химического взаимодействия.

Практическая значимость полученных результатов. Оригинальные результаты исследований особенностей синтеза карбидов и нитридов в "Спокойнойв "псевдоожиженном и виброперемищуваному слоях, в условиях многократных механических воздействий при высокотемпературном вибропомоли, жидкофазного взаимодействия компонентов при получении карбидов переходных металлов и магнитоабразивних порошков с высокими прочностными, абразивными и магнитными свойствами положены в основу разработки комплекса промышленных технологических процессов и высокотемпературного стекла оборудования. Использование результатов научных исследований на практике позволило не только интенсифицировать процессы синтеза тугоплавких соединений, повысить производительность, снизить энергоемкость и себестоимость продукции, но и значительно повысить их качество по химическому и фазовым составом, создать промышленные технологии, обеспечивающие существенно более высокие физико-механические свойства порошков разработать способы управления этими свойствами.

На базе указанных разработок создано уникальное производство порошков тугоплавких соединений на Донецком заводе химических реактивов с ассортиментом 100 наименований, производство нитридов алюминия и кремния высокой степени чистоты, а также комплекса магнитоабразив ных порошков на Опытном заводе НТЦ "Реактивэлектрон" при ДонФТИ НАН Украины , что значительно способствовало развитию порошковой металлургии в Украине. Высокий уровень абразивных свойств псевдоплавлених карбидов переходных металлов и композиционных магнитоабразивних материалов на их основе способствовал повышению эффективности ряда операций механической обработки в металлообрабатывающей, машиностроительной, ювелирной, судоремонтной и других промышленностях. Оригинальность и эффективность разработок подтверждены 7 изобретениями и патентами, а также 17 актами внедрения и 3 отзывам зарубежных организаций.

Реализация научных разработок. Полученные в данной работе результаты исследований и созданные на их основе технологии и оборудования внедрены в производство порошков тугоплавких соединений на Донецком заводе химреактивов и ДЗ НТЦ "Реактивэлектрон" при ДонФТИ НАН Украины в соответствии с планом их технического переснащення.

На базе карбида титана псевдоплавленого на Полтавском заводе искусственных алмазов и алмазного инструмента, Полтавском заводе пластмасс и на ЗАО "прецизионные абразивы" (Вышгород) созданы производства абразивных паст КТ широко и эффективно используются в различных отраслях техники. Магнитоабразивни порошки, выпускаемых Донецким заводом химреактивов и ДЗ НТЦ "Реактивэлектрон" НАН Украины, используются на Киевском заводе химического машиностроения, заводах Укрювелирпрому, предприятиях России, Республики Беларусь, ФРГ, США, Кореи.

Личный вклад соискателя. В диссертационной работе обобщены результаты исследований, выполненных непосредственно автором, под его руководством и вместе с коллегами. Разработка идей, формирование цели и задачи, планирование и постановка работы, анализ и обобщение результатов, разработка оригинальных технических решений выполнены соискателем.

Автор является непосредственным участником всех экспериментальных работ, положенных в основу диссертации. Идеи автора положены в основу исследований высокотемпературных процессов получения карбидов и нитридов в виброперемищуваному и псевдоожиженном слоях, в условиях многократных механических воздействий при высокотемпературном вибропомоли, при жидкофазного взаимодействия капель металла с пористым углеродом, синтеза композиционных магнитоабразивних порошков непосредственно из простых веществ и оригинальных технических решений при разработке экспериментального и промышленного высокотемпературного стекла оборудования.

Соискатель является инициатором и организатором нового направления исследований в НТЦ "Реактивэлектрон" НАН Украины в области синтеза тугоплавких соединений и композиционных материалов на их основе, а также экспериментальной и производственной базы на Донецком заводе химических реактивов и ДЗ НТЦ "Реактивэлектрон" при ДонФТИ НАН Украина.

Автор привлек специалистов в области материаловедения для решения ряда задач в выбранном направлении, на основе взаимодействия с которыми опубликован ряд совместных работ. В этих работах идейная сторона постановки задачи, формирования целей и плана работ принадлежит автору, выполнение рентгеноструктурных исследований и изучения некоторых физико-механических свойств получаемых материалов соавторам: А.А. Ада-мовському, И.И. Тимофеевой, Н.И. Киселя, Д. &

Загрузка...

Страницы: 1 2 3 4 5