![](https://expert-mik.ru/wp-content/themes/24author/assets/img/work/work-img.png)
Композиции на основе нанодисперсных порошков карбидов вольфрама и титана, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, для модифицирования серых чугунов и стали 110Г13Л
ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ…………………………… 4
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………………………. 7
ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ИНФОРМАЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ……………………………………………………………………………………… 13
1.1 Некоторые методы получения нанодисперсных частиц ……………. 14
1.2 Получение наночастиц методом СВС………………………………………. 20
1.3 Общие представления о модифицировании металлов и сплавов.. 37
1.3.1 Теоретические основы модифицирования металлов…………………. 39
1.3.2 Зарождение твердой фазы в расплаве на ультрадисперсных
частицах тугоплавких соединений ………………………………………………………….. 41
1.3.3 Типы добавок-модификаторов и их эффективность …………………. 47
1.3.4 Традиционные модификаторы для чугунов и сталей………………… 57
1.3.5 Модификаторы на основе нанодисперсных тугоплавких частиц . 61
1.3.6 Методы ввода модификаторов в расплавы чугуна и стали ……….. 66
1.4 Описание некоторых модификаторов Российского и импортного
производства, а также компаний-поставщиков ……………………………………….. 73 ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, РЕАКТИВЫ И ОБОРУДОВАНИЕ …………………………………………………………………………………. 84
2.1 Объекты исследования, реактивы и оборудование …………………… 84
2.1.1 Объекты исследования…………………………………………………………….. 84
2.1.2 Реактивы и материалы …………………………………………………………….. 84
2.1.3 Оборудование …………………………………………………………………………. 86
2.2 Методы исследования ……………………………………………………………… 90
2.2.1 Методы аттестации порошков …………………………………………………. 91
2.2.2 Физико-механические методы исследования свойств образцов
чугуна и стали………………………………………………………………………………………… 92 ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СВС ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ КАРБИДОВ ВОЛЬФРАМА И ТИТАНА …………………………………………………………………………………………… 97
2
3.1
Способы получения карбидов вольфрама ………………………………… 97 Получение нанодисперсных порошков карбидов вольфрама и
3.2
титана
ГЛАВА 4. МОДИФИЦИРОВАНИЕ СЕРОГО ЧУГУНА И СТАЛИ
110Г13Л 4.1
…………………………………………………………………………………………… 107 Получение композиций модификаторов…………………………………… 107 Модификаторы, полученные термическим (Т) методом в
……………………………………………………………………………………………….. 97
4.1.1
сочетании с механической активацией ……………………………………………………. 107
4.1.2 Модификаторы, полученные плазмохимическим (ПХ) методом . 108
4.1.3 Модификаторы, полученные методом механохимической
активации (МА) ……………………………………………………………………………………… 110
4.1.4 Модификаторы, полученные комбинированным методом
(СВС в сочетании с МА)…………………………………………………………………………. 113 4.2 Модифицирование серого чугуна…………………………………………….. 114
4.2.1 Модифицирование серого чугуна СЧ20 …………………………………… 114
4.2.2 Модифицирование серого чугуна СЧ25 …………………………………… 116
4.2.2.1 Структурные исследования образцов чугуна СЧ20, СЧ25 ………… 120
4.2.2.2 Исследование влияния модификаторов на износостойкость
и коррозионную стойкость серого чугуна СЧ20, СЧ25 ……………………………. 121
4.2.3 Модифицирование серого чугуна «эффективными» модификаторами…………………………………………………………………………………….. 125 4.3 Модифицирование стали 110Г13Л …………………………………………… 131 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………………………… 136 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ………………………………….. 139 ПРИЛОЖЕНИЯ ……………………………………………………………………………………… 159 Приложение 1 ………………………………………………………………………………………… 160 Приложение 2 ………………………………………………………………………………………… 161
Сплавы на основе железа (стали и чугуны) в настоящее время являются основными конструкционными материалами, которые обеспечивают высо- кий уровень механических и технологических свойств наряду с относительно низкой стоимостью. Увеличение эксплуатационных характеристик (прочно- сти при разрыве, твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и, в конечном итоге, срока службы) чугунов и сталей является актуальной зада- чей. Качество отливок из чугунов и сталей зависит от многих технологиче- ских параметров, которые оказывают влияние на процессы кристаллизации расплава (температура заливки, формовочная смесь, химический состав, объ- ѐм отливки, перегрев металла при выплавке и др.). Повысить качество отли- вок, не меняя технологию выплавки и заливки металла в формы, можно, если научиться управлять процессом кристаллизации. В лабораториях выращены бездефектные кристаллы железа с пределом прочности при растяжении более 1000 кгс/мм2 (прочность углеродистой стали – 40 кгс/мм2). Попытки повы- сить механические свойства путем создания монокристалла не оправданы, поэтому приходится идти обратным путем – влиять на процесс кристаллиза- ции, чтобы получить множество мелких кристаллов (зерен), что также позво- ляет достигнуть высоких механических свойств [1]. Зависимость прочност- ных характеристик от размера зерна описана законом Холла-Петча [2, 3]. Со- гласно этому закону увеличение твердости материала происходит при уменьшении среднего размера зерна в 3…5 раз, а при дальнейшем уменьше- нии среднего размера зерна больше, чем в 10 раз, происходит увеличение пластичности. Влиять на процессы кристаллизации расплавов чугуна и стали (изменять размеры зерен металлов, менять форму, размер и распределение графитовых включений) можно введением малых добавок веществ (модифи- каторов), химически не взаимодействующих с матрицей. Применение моди- фикаторов для повышения скорости кристаллизации, снижения структурной
7
неоднородности отливок имеет хорошие перспективы. К тому же в отличие от легирования, модифицирование не требует большого количества дорого- стоящих добавок и, соответственно, незначительно повышает конечную сто- имость продукции.
Несмотря на большое количество модификаторов, предлагаемых на рынке, проблема получения модификаторов на основе тугоплавких ультра- дисперсных частиц, смачиваемых расплавом и равномерно распределенных в металлической матрице, и проблема получения стабильных результатов при модифицировании являются объектом пристального внимания многих иссле- дователей. Механохимия может существенно облегчить путь к достижению положительного результата. При обработке материала в высокоэнергетиче- ских активаторах планетарного типа происходит не только его измельчение, но и активация; кроме этого, частицы порошков можно дополнительно пла- кировать необходимым материалом и получать модификаторы, хорошо сма- чиваемые расплавами.
Кроме этого, механическая активация (МА) может оказывать влияние на различные процессы синтеза.
Исследование влияния МА на инициирование и прохождение процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), получение тугоплавких ультрадисперсных порошков, нанокомпозиций модификаторов на их основе и материалов с улучшенными служебными характеристиками (прочностью, коррозионной стойкостью, износостойкостью и т. д.) является актуальной задачей.
Цель работы: Создание эффективных композиций модификаторов для чугуна и стали на основе нанодисперсных карбидов вольфрама и титана, по- лученных комбинированным методом – самораспространяющимся высоко- температурным синтезом в сочетании с предварительной механической акти- вацией.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи: 8
1) получение нанодисперсных порошков карбидов вольфрама и титана методом СВС;
2) исследование влияния механической активации смеси вольфрам– титан–сажа на инициирование и прохождение процесса СВС;
3) исследование влияния состава исходной смеси на фазовый состав и выход конечных продуктов процесса СВС; определение минимального коли- чества титана для прохождения СВС в системе «вольфрам-титан-сажа»;
4) получение модификаторов на основе нанодисперсных порошков карбидов вольфрама и титана с металлами-протекторами (железо, медь, ни- кель, хром, цирконий) с использованием МА;
5) исследование процессов модифицирования чугунов и сталей этими модификаторами, сравнение эффективности с другими модификаторами по- добного класса действия;
6) исследование влияния различных технологических факторов на процесс модифицирования серого чугуна (конструкция, объем литейных форм, способ введения модификаторов и другие).
Научная новизна работы.
1. Методом СВС в сочетании с предварительной МА получена смесь нанодисперсных порошков карбидов вольфрама (WC, W2C) и титана (TiC). Для СВ-синтеза карбидов вольфрама был использован СВ-синтез карбида ти- тана в системе вольфрам–титан–сажа.
2. Определены условия получения WC и W2C и/или их смеси в систе- ме W–Ti–C.
3. Получена смесь с максимальным содержанием карбидов вольфрама (в пересчете на WC) в количестве 80%.
4. С использованием МА получены модификаторы на основе смеси карбидов вольфрама и титана с металлами-протекторами.
5. Исследованы процессы внутриформенного модифицирования се- рых чугунов марок от СЧ15 до СЧ30 и стали 110Г13Л.
9
6. Исследовано влияние технологических параметров (конструкция, объем литейных форм, способ введения модификаторов) на эксплуатацион- ные характеристики серого чугуна.
7. Получен патент РФ No 2508249 «Способ получения нанодисперс- ных порошков карбидов вольфрама и титана методом СВС». БИ No 6, 27.02.14.
Основные положения, представленные к защите.
1. Комбинированный способ получения смеси нанодисперсных по- рошков карбидов вольфрама и титана (процесс СВС в сочетании с механиче- ской активацией) и эффективных модификаторов на их основе.
2. Исследование влияния модификаторов на основе нанодисперсных карбидов вольфрама и титана на эксплуатационные характеристики серых чугунов.
3. Исследование влияния модификаторов на основе нанодисперсных карбидов вольфрама и титана на эксплуатационные характеристики стали 110Г13Л.
Практическая значимость работы.
1. Разработан экономичный метод получения нанодисперсных порош- ков карбидов вольфрама и титана и эффективных модификаторов на их осно- ве для обработки чугунов и сталей.
2. На примере модифицирования серых чугунов и стали 110Г13Л по- казана эффективность данных модификаторов по сравнению с другими того же класса действия.
Чугун: предел прочности при растяжении увеличивается на 20…29 %;
относительная коррозионная стойкость в соляной кислоте – до 40…45%, причем в толстых отливках – до 59%; относительная износостойкость – до 69%.
Сталь (110Г13Л): временное сопротивление разрыву увеличивается на 18%; относительное удлинение на 40%; размер зерна уменьшается в 5,5…6,8 раз.
10
3. Передана лицензия в КНР «Получение смеси карбидов вольфрама и титана методом СВС и подготовка модификатора для обработки железоугле- родистых расплавов (чугунов) при внутриформенном модифицировании». Оказана помощь в передаче результатов китайской стороне.
Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертационной рабо- те, обсуждались на следующих конференциях: III Международная заочная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы естественных и математических наук», 4 марта 2013г., Новосибирск; 15-я Международная научно-практическая конференция «Технологии упрочнения, нанесения по-
крытий и ремонта: теория и практика», 16-19 апреля 2013 г., Санкт- Петербург; IV International Conference Fundamental Bases of Mechanochemical Technologies , 25-28 June 2013, Novosibirsk, Russia; V Международный кон- гресс и выставка «Цветные металлы – 2013», 3-6 сентября 2013 г., Красно- ярск; II Всероссийская конференция с международным участием «Горячие точки химии твердого тела: механизмы твердофазных процессов», 25-28 ок- тября 2015 г., Новосибирск; VII Международный конгресс и выставка «Цвет- ные металлы и минералы – 2015», 14-17 сентября 2015 г., Красноярск; VIII Международный Конгресс и Выставка «Цветные металлы и Минералы – 2016», 12-16 сентября 2016 г., Красноярск.
Опытные плавки и испытания образцов и изделий из чугуна и стали проводились на предприятиях России и Китая: ООО «Центролит-С» (г. Но- восибирск), ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» (г. Новокузнецк), Институт научно- технического сотрудничества города Линьи (КНР).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 26 печат- ных работах, в том числе в 8 научных статьях, входящих в перечень рецензи- руемых научных журналов ВАК, и в 18 работах, опубликованных в других изданиях.
Личный вклад автора заключается в обсуждении и постановке задач исследования, в подготовке и проведении экспериментов по получению нанодисперсных порошков карбидов вольфрама и титана, модификаторов на
11
их основе; в проведении экспериментов по модифицированию; в изготовле- нии и исследовании образцов чугунов и сталей; анализе полученных резуль- татов, в оформлении рукописей печатных работ.
Связь работы с Государственными программами и НИР. Работа вы- полнена при поддержке федеральной целевой научно-технической програм- мы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по теме: «Разработка способа получения многофункционального реагента- модификатора на основе порошков тугоплавких соединений для обработки
железоуглеродистых расплавов» (ГК от 18 октября 2011 г. No 16.513.11.3131); гранта РФФИ 11-08-00814; заказного проекта СО РАН No 12; контрактов No 150429-1 и No 150429-2 от 29.04.2015 г. «Получение смеси карбидов воль- фрама и титана методом СВС и подготовка модификатора для обработки же- лезоуглеродистых расплавов (чугунов) при внутриформенном модифициро- вании».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, списка используемых источников и приложений. Ма- териал работы изложен на 161 странице, включая 31 рисунок, 22 таблицы и 2 приложения, список использованных источников включает 205 наименова- ний.
![](https://expert-mik.ru/wp-content/themes/24author/assets/img/signup-document.png)
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!