close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

РЕЛЕ ТОКА;pdf

код для вставкиСкачать
Н.З. Ляхов
Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН
г. Новосибирск
http://www.solid.nsc.ru
Москва
Новосибирск
Сибирское отделение
Российской академии наук
Академгородок, Новосибирск
лет
Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН
Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН является одним из старейших в Сибири
научных учреждений. Институт был организован в 1944 г. как Химико-металлургический институт. Свое
нынешнее название Институт получил в 1997 г. в результате развития новых направлений
фундаментальных исследований - химии твердого тела и механохимии. В области механохимии
Институт занимает одно из лидирующих мест не только в России, но и в мире.
Директор Института - академик РАН, д.х.н., профессор Н.З. Ляхов.
Штат Института составляет 213 человек, из них:
научных сотрудников - 98 чел.,
докторов наук – 24 чел.
кандидатов наук – 56 чел.
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
РЕАКЦИОННАЯ
СПОСОБНОСТЬ
ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ
МЕХАНОХИМИЯ И
МЕХАНИЧЕСКАЯ
АКТИВАЦИЯ
СОЗДАНИЕ НОВЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ
ХИМИЯ
ТВЕРДОГО
ТЕЛА
СОЗДАНИЕ НОВЫХ
МАТЕРИАЛОВ
ЭЛЕКТРОХИМИЯ
ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМ
МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ
20.03.2014
ЗАДАЧИ:
 исследование порошков тугоплавких материалов, полученных различными
методами
(термическим
(углетермическим),
плазмохимическим,
СВС,
механохимическим и комбинированными с использованием вышеназванных);
 получение и исследование порошковых композиций модификаторов на основе
ультрадисперсных порошков тугоплавких материалов;
 получение и исследование компактированных модификаторов;
 отработка технологии внутриформенного модифицирования чугунов
(исследование способов введения модификатора в расплав; получение
образцов металлов и сплавов; исследование концентрации, состава
модификаторов, условий их гомогенизации для эффективного воздействия на
расплав; исследование структуры и физико-механических свойств металлов и
сплавов; оценка эффективности модификаторов на основе ультрадисперсных
частиц тугоплавких керамических материалов при внутриформенном
модифицировании чугунов);
 опробование модифицирующей способности ультрадисперсных частиц
тугоплавких керамических материалов в промышленных условиях при
получении черных и цветных металлов и сплавов;
 изготовление готовых модифицированных изделий и тестирование их в
реальных условиях эксплуатации.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРОШКОВ ТУГОПЛАВКИХ СОЕДИНЕНИЙ И
КОМПОЗИЦИЙ МОДИФИКАТОРОВ.ТЕРМИЧЕСКИЙ МЕТОД
ПОЛУЧЕНИЯ (Т)
Модификатор карбонитрид титана в медно-стальной матрице был получен
термическим методом (Т) смешиванием компонентов и последующим нагреванием
шихты в течение 1,5…2 часов при температуре 1200°С, при этом смесь продували
азотом для удаления оксидов углерода и образования карбонитрида титана
Состав шихты соответствовал составу лигатуры
TiCN-Cu-Fe
Для модифицирования в форме модификатор подвергали обработке в
планетарной мельнице (с Ni и Zr)
Свойства модификатора:
№
1
2
3
4
Модификатор
TiCN-Cu-Fe
τакт, мин (АГО-2)
0
1
2
3
Sуд., м2/г
0,88
1,65
0,19
0,37
Модификатор, в основном, использовали для проведения
промышленных плавок, получения готовых изделий и
тестирования у потенциальных заказчиков
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРОШКОВ ТУГОПЛАВКИХ СОЕДИНЕНИЙ И
КОМПОЗИЦИЙ МОДИФИКАТОРОВ. ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ МЕТОД
ПОЛУЧЕНИЯ (ПХ)
 Модификаторы в железной матрице состава (ά-Fe,
TiCxNy, SiC) были получены ПХ методом из природного
сырья – титаномагнетита взаимодействием порошка
титаномагнетита с метаном в потоке водородно-азотной
плазмы. Продукты реакции представляли собой порошки с
удельной поверхностью 1,6…20 м2/г. По данным
электронной
микроскопии
продукты
состояли
преимущественно из частиц с размерами 30…70 нм
 Модификаторы содержали ~ 83-95% железа
Микрофотография порошка
(ά-Fe, TiCxNy, SiC), полученного ПХ методом
Состав и свойства модификаторов, полученных ПХ методом
Состав
№
1
2
3
4
5
Керамика (К)
Металл (Ме)
К/Ме, г
Sуд., м2/г
TiCxNy, SiC
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
10/90
10/90
5/95
5/95
16,7/83,3
1,64
2,12
20,19
4,96
5,07
Размер
частиц, нм
30…70
Состав титаномагнетита, %: TiO2 – 9,14; SiO2 – 5,98; Al2O3 - 2,61; Cr2O3 – 0,15; Fe2O3 – 37,5; FeO - 36,9;
MnO – 0,2; MgO - 3,5; CaO – 1,3; V2O5 – 0,62; P2O5 – 0,2; S – 0,5
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРОШКОВ ТУГОПЛАВКИХ СОЕДИНЕНИЙ
И КОМПОЗИЦИЙ МОДИФИКАТОРОВ. МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ – СВС
Модификаторы состава (20…80% WC, W2C /
80…20% TiC) были получены методом СВС. Для
получения карбидов вольфрама WC, W2C был
впервые использован метод СВС карбида титана в
смеси вольфрам-титан-углерод. СВС карбида
титана в этой смеси разогревает ее, что приводит
далее к синтезу карбидов вольфрама. Для
модифицирования сплавов использовали состав с
содержанием вольфрама (70…80% в пересчете на
WC) дополнительно обработанный в планетарной
мельнице с металлами-протекторами
20-30% TiC / 70-80% WC
SEM образца,
полученного методом СВС
(смесь карбидов вольфрама и титана)
ТЕМ образца карбида титана,
полученного методом СВС
 По данным SEM и ТЕМ продукты состоят
преимущественно из частиц с размерами 30…70 нм
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРОШКОВ ТУГОПЛАВКИХ СОЕДИНЕНИЙ И
КОМПОЗИЦИЙ МОДИФИКАТОРОВ.МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ – СВС,
КОМБИНИРОВАННЫЙ
Размер кристаллитов продуктов СВС
Sуд, м2/г,
ОКР по WC,
(МА продуктов СВС 1 мин)
нм
Состав
Время МА до
СВС, мин
ОКР по W2C,
нм
ОКР по TiC,
нм
70% WC/30% TiC
1
28,16
28,37
33,52
6,12
75% WC/25% TiC
1
-
34,03
34,85
-
80% WC/20% TiC
5
-
28,35
33,50
18,45
Ti + C (СВС)→(TiC)
1
-
35,42
-
9,59
 По данным РФА (ОКР) продукты СВС состоят преимущественно из частиц
средним размером ~ 30 нм
 Средний размер частиц после мехобработки (МА) в активаторах с металлами
протекторами по данным удельной поверхности составляет ~ 40…105 нм для
смеси карбидов вольфрама и титана и до 140 нм для карбида титана (в
зависимости от условий МА)
ОКР рассчитывали до МА продуктов реакции
ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПАКТИРОВАННЫХ
КОМПОЗИЦИЙ МОДИФИКАТОРОВ
Из порошковых композитов методом статического прессования (с вяжущим
материалом и без него) были получены таблетки диаметром 0,8…25 мм
 «Вяжущий» (пластический) материал – порошок меди:
давление прессования – 2500…10000 кгс/см2
максимальная прочность – выше 500 МПа (с медью)
прочность без пластического материала – 30…150 МПа
 Органические связки – метил- или карбоксиметилцеллюлозы
(МЦ или КМЦ):
давление прессования – от 20 кгс/см2 и выше
прочность – 0,3…100 МПа (в зависимости
от количества связки и прессуемости материала)
 Прессование без вяжущего материала:
(прочности до 105 МПа)
Таблетки модификаторов,
полученные разными способами
Твердость по Бринеллю образцов синтетического чугуна при
использовании различных модификаторов
 Твердость по Бринеллю
образцов синтетического
чугуна при использовании
модификаторов,
полученных МХ методом
(1-6), выше, чем
твердость образцов при
использовании других (7-10)
модификаторов
Связка –
порошок
Cu
Связка –
органика
(МЦ)
 Использование
компактированных
модификаторов
предпочтительно
Куски, крупный
порошок (лигатура)
Нет связки
(порошок)
 Заметного влияния
модификаторов на
прочность СЧ12 не
обнаружено
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
МОДИФИЦИРОВАНИЕ В ФОРМЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА
МОДИФИКАТОРОВ И ИХ КОНЦЕНТРАЦИИ
Состав и количества модификаторов (заливка Z-2, чугун СЧ20)
Модификатор
№
Состав
Метод
получения
Состав
активной
фазы
Количество активной
фазы, (%)
1
Y2O3+Zr (Sуд. = 2,7 м2/г)
МХ
Y 2 O3
0,013
2
3
4
5
Y2O3+Cr (Sуд. = 3 ,0 м2/г)
МХ
Y 2 O3
(WC-TiC)+Zr (Sуд. = 5,5 м2/г)
СВС+МХ
WC-TiC
0,025
0,038
0,013
0,003
6
ПХ-3 (ά-Fe, TiCxNy, SiC) (Sуд. = 20,2 м2/г, Fe=95%)
TiCxNy, SiC
0, 0015
7
ПХ-4 (ά-Fe, TiCxNy, SiC) (Sуд. = 5,0 м2/г, Fe=95%)
8
FeSi+SiC (Sуд. = 7,3 м2/г)
ПХ-1 (ά-Fe, TiCxNy, SiC) (Sуд. = 1,6 м2/г, Fe=90% )
ПХ
0,0015
МХ
9
Отходы SiC (ККС), фр. 0…10 мм (Sуд. = 1,7 м2/г) Отход
10 (К 2) Алюминиевая фольга
FeSi+SiC
0,05
SiC
-
0,065
0
Состав ККС, %: SiC – 65±1; Ссумм. – 26±2; SiО2 – 6-7; СаО – ≤ 1; Al2O3 ≤ 1;
Fe2O3 ≤ 1; Р – следы; S ≤ 0,12
Прирост твердости, % по Бринеллю (вверху) и прирост предела
прочности на растяжение, % (внизу) образцов чугуна (заливка Z-2, СЧ20)
 Наибольшее увеличение
твердости (13,1%) и предела
прочности на растяжение (19,8%)
показал образец чугуна 3,
модифицированный карбидами
вольфрама и титана с цирконием
(СВС+МХ, концентрация 0,038%)
K2
K2
 При снижении концентрации
модификатора в три раза (образец
4, конц. 0,013%) твердость чугуна
снизилась до 4,9%, а предел
прочности на растяжение – до 8,5%
относительно контрольного
образца
 Остальные образцы с
модификаторами, полученными ПХ,
МХ методами, увеличили
твердость в пределах 8…10%,
предел прочности на растяжение –
в пределах 8,5…12%
(образцы 5-7)
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ
•
•
•
•
lэ – абсолютный линейный износ эталонного
(контрольного) образца, мм
lИ – абсолютный линейный износ испытуемого образца,
мм
dэ – фактический диаметр эталонного (контрольного)
образца, мм
dИ - фактический диаметр испытуемого образца, мм
(WC-TiC)+Zr
Sуд.= 5,5 м2/г
0,038%
ά-Fe, TiCxNy, SiC
Sуд.= 5,0 м2/г
0,0015%
Износостойкость модифицированных образцов
относительно контрольного образца
(заливка Z-2, СЧ20)
 Износостойкость образца
чугуна 3, модификатор ((WCTiC)+Zr) концентрация 0,038%,
получен комбинированным
методом, (СВС+МХ) на 69%
больше, а
 Износостойкость образца 6
(модификатор ПХ-4, ά-Fe,
TiCxNy, SiC, концентрация
0,0015%, получен ПХ методом)
на 21% больше, чем у
контрольного образца
МИКРОСТРУКТУКТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Структура образцов, травленая 5 % HNO3 в спирте
контрольный образец
образец модификатор ((WC-TiC)+Zr) 0,038%,
заливка Z-2
В структуре всех образцов присутствуют перлит (70 %) и феррит (30 %) кроме образца,
имеющего перлитную матрицу (92%) с 8 % феррита.
Феррит находится вокруг графитовых включений в отдельных областях, равномерно
расположенных в плоскости шлифа. Дисперсность пластинчатого перлита определяется
средним расстоянием между пластинами цементита. Это расстояние измеряется в зернах
перлита наибольшей дисперсности, где пластины цементита расположены перпендикулярно
к плоскости шлифа. Расстояние между пластинами цементита у всех образцов составляет от
0,8 до 1,3 мкм.
МОДИФИЦИРОВАНИЕ ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМИ ПОРОШКАМИ
Для получения модификаторов были использованы порошки тугоплавких
соединений, полученных различными методами (СВС, ПХ, др.), которые далее
были подвергнуты
совместной обработке с металлами-протекторами в
высокоэнергетических активаторах
Модифицирование проводилось в формах, заготовках, ковше, с использованием
колокольчика, под струю металла, при непрерывном литье на различных предприятиях
России и ближнего Зарубежья
Модифицирование черных и цветных металлов и сплавов
Чугуны
СЧ15, СЧ18,
высокохромистый
чугун ИЧХ28Н2,
износостойкий
чугун СЧЦ-1С,
НТ150, НТ250,
QT500-7
Стали, сплавы
Алюминий и алюминия сплавы
Медь и
сплавы
Модификаторы
Алюминий и деформируемые
алюминиевые сплавы
Средне- и
низколегированные,
(полунепрерывное литье
Наконечники SiC, B4C, BN, LaB6, TaN,
углеродистые, 08ЮЛ,
слитков).
TixCyNz, TiCNO, TiN,
для фурм
Алюминиевые литейные сплавы
жаропрочный
кислородных TiO2, VxCyNz, AlN, HfN,
никелевый сплав
(фасонные отливки АЛ2, АЛ4,
конвертеров HfB2, Al2O3, Y2O3 и др.
АЛ9, АЛ11, АК7 и др.;
ЖС-6У
жидкая штамповка (сплавы АЛ9
и АЛ19)
МОДИФИЦИРОВАНИЕ ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМИ ПОРОШКАМИ. МОДИФИЦИРОВАНИЕ МЕДИ
Макроструктура образцов наконечников для фурм кислородных конвертеров:
 Модифицированная
отливка отличается более
однородной твердостью по
сечению
Г
без модификатора
с модификатором SiC в
количестве 0,05%
Твердость по Бринеллю (HB)
Образец
Без модификатора
SiC 0,05%
в центре
на периферии
69,1
55,1
55,1
56,8
 Модифицированный образец
характеризуется более мелкой
кристаллической структурой.
Испытания отливок керосином
на герметичность показали, что
немодифицированная отливка
проницаема, у
модифицированной подобный
эффект не наблюдался
С использованием различных модификаторов были проведены
опытные плавки и испытания образцов на многих предприятиях
России:
18
ПОЛИМЕРЫ
20.03.2014
ХАРАКТЕРИСТИКИ НАПОЛНИТЕЛЕЙ
График зависимости среднего размера
керамических частиц от времени МА
Диаграммы распределения частиц по
размеру
корунд
карбид кремния
корунд исх.
корунд+1,5% Н2О
корунд+1,5% Н2О
3 мин МА
карбид кремния
5 мин МА
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЕНОПОЛИУРИТАНОВЫХ
КОМПОЗИТОВ
График зависимости физико-механических показателей пенополиуретановых композитов от
степени наполнения корундом со средним размером частиц
Прочность при разрыве
Относительное удлинение
75 нм
75 нм
880 нм
40 нм
880 нм
40 нм
Истираемость
Остаточное удлинение
880 нм
880 нм
40 нм
75 нм
40 нм
75 нм
МИКРОФОТОГРАФИИ СТРУКТУРЫ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Электронные микрофотографии пенополиуретанов
Немодифицированный
Модифицированный
1 масс.% корундом (dср ~ 40 нм)
Зависимость изменения
размера зерна от
количества
структурообразующих
центров
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЕНОПОЛИУРИТАНОВЫХ
КОМПОЗИТОВ
Зависимости физико-механических показателей пенополиуретановых композитов от степени
наполнения карбидом кремния со средним размером частиц ~ 250 нм
Прочность при разрыве
Относительное удлинение
Истираемость
Остаточное удлинение
МИКРОФОТОГРАФИИ СТРУКТУРЫ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Немодифицированный
Модифицированный 2,5 масс.%
карбидом кремния (dср ~ 250 нм)
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЕНОПОЛИУРИТАНОВЫХ
КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ЛИТЬЕВОГО ПОЛИУРЕТАНА
Содержание
наполнителя, %
0
0,0001
0,001 *
0,01
0,1
1
2,5 *
Предел прочности
при разрыве, МПа
11,0±0,2
10,9±0,2
7,5±0,2
10,9±0,2
11,0±0,2
10,6±0,2
9,9±0,2
Относительное
удлинение, %
Модуль Юнга,
МПа
285±4
189±3
>300±5
270±4
241±4
255±4
>300±5
3,9±0,4
5,3±0,5
< 2,0±0,2
4,0±0,4
4,3±0,4
4,2±0,4
< 2,0±0,2
* – разорвать образец на машине РТ-250М-2 не удалось, так как произошло удлинение
образца до максимального рабочего хода разрывной машины.
МИКРОФОТОГРАФИИ СТРУКТУРЫ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Микрофотографии литьевого полиуретана
Немодифицированный
Модифицированный 0,001 масс.%
корундом (dср ~ 40 нм)
Зависимость изменения свойств композиционных
материалов на основе литьевого полиуретана и корунда
(dср ~ 40 нм)
Диаграмма зависимости изменения среднего размера зерен
полимера от содержания наполнителя
* – разорвать образец на машине РТ250М-2 не удалось, так как
произошло удлинение образца
до максимального рабочего хода
разрывной машины.
КЕРАМИКА
20.03.2014
•Karagedov G.R., Lyakhov N.Z.,. NanoStructured Materials, 1999, 11, 559-572.
X-ray: 17.5nm
Surace area: 14.5nm
(105m2/g)
50nm
1200°С, 3.97г/см3
Методами изостатического прессования получена прозрачная
керамика из ZrO2
Горячий изостатический
пресс AIP-HIP
Холодный
изостатический пресс
AIP-СIP
Образец расположен на
высоте 100 мм над надписью.
Образец лежит на
надписи
In-line transmission of 1.3mm sample
НАНОКЕРАМИКА ИЗ НИТРИДА АЛЮМИНИЯ С ВЫСОКОЙ
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬЮ
Разработан механохимически стимулированный низкотемпературный синтез нитрида
алюминия для получения нанокерамики с высокой теплопроводностью.
Преимущества данного синтеза:
Условия синтеза
Основные методы синтеза AlN в
промышленности
Низкотемпературный
метод синтеза AlN,
ИХТТМ СО РАН
Карботермический
СВС
Прямое
азотирование
Температура, °C
1600-2000
100-2500
100-2100
800
Длительность, ч
10-15
0.01
1-2
0.5
30
55
30-40
100
Примечание
Продукты
загрязнены
углеродом
Разбавлени
е
продуктами
реакции
-
-
Содержание
кислорода,
%масс.
0.9-1.2
0.8-1
1-1.7
<0.65
Выход нитрида
на первой стадии,
%
180-235
Синтезированный данным способом AlN обладает высокой
теплопроводностью.
НАНОКЕРАМИКА ИЗ НИТРИДА АЛЮМИНИЯ С ВЫСОКОЙ
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬЮ
Снижение температуры синтеза происходит за счет предварительного
механического сдирания оксидной пленки с частиц металлического алюминия.
AlOOCR
Al (порошок) +
RCOOH
Al
Мельница АГО-2
Микрофотография промышленного порошка
Al марки ПА-4, ×100; Sуд.= 0.02 м2/г
Микрофотография механически активированного
порошка алюминия ПА-4 с ПАВ, ×100; Sуд.= 4.5 м2/г
НАНОКЕРАМИКА ИЗ НИТРИДА АЛЮМИНИЯ С ВЫСОКОЙ
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬЮ
Микрофотография порошка нитрида алюминия
×1.0k,
×10k
Sуд.= 3.5-5 м2/г, среднеповерхностный размер частиц 370-525 нм
Элемент
Содержание, %масс.
O
< 0,65
N
34,48± 0,68
НАНОКЕРАМИКА ИЗ НИТРИДА АЛЮМИНИЯ С ВЫСОКОЙ
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬЮ
СПЕКАНИЕ
Образцы нитрида алюминия с
1. Смешивание порошка нитрида алюминия с 2-3% Y2O3
2. Прессование или шликерное литье
3. Спекание в атмосфере азота при 1850°C
высокой теплопроводностью
ρ= 97%-99% от теоретической
Теплопроводность λ~195 Вт/м*К
Внешняя поверхность
спеченной таблетки. СЭМ
EDS анализ внешней поверхности
таблетки
НАНОКЕРАМИКА ИЗ НИТРИДА АЛЮМИНИЯ С ВЫСОКОЙ
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬЮ
Области применения:
Детали керамического
двигателя
Подложки интегральных
схем
Детали для космической
промышленности
Охладитель
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!!
20.03.2014
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа