Обоснование свойств карбидокремниевых композитов для обеспечения износостойкости технологического оборудования Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.928

О.Н. Шагарова

ОБОСНОВАНИЕ СВОЙСТВ КАРБИДОКРЕМНИЕВЫХ КОМПОЗИТОВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Приведены результаты исследований, которые позволяют определить структуру карбидокремниевых материалов, обеспечивающих повышение износостойкости и высокую долговечность рабочих поверхностей технологического оборудования. Рассмотрена применимость методов получения кристаллов карбида кремния, для формирования соответствующих изделий. Определены ключевые зависимости для реализации технологических процессов при использовании карбидокремниевых композитов.

Ключевые слова: гидроабразивное воздействие, композиционные материалы, кристаллы, карбид кремния, силицирование, карбидокремниевые материалы.

^Значительная часть технологиче-^ского оборудования горных предприятий, связанного с перемещением и классификацией гидроабразивных смесей, подвергается повышенному износу и требует применения специальных конструкционных материалов для обеспечения необходимых показателей надежности.

Наиболее перспективным материалом для изготовления рабочих элементов оборудования при гидроабразивном воздействии являются композиционные материалы на основе карбида кремния, кристаллы которого обладают высокой твердостью 9 единиц по Моосу [1]. Это в полной мере удовлетворяет одному из требований, предъявляемых к материалам, способным обеспечить высокую долговечность при гидроабразивном и газоабразивном воздействии.

Кристаллы карбида кремния существуют в двух основных модификациях:

1. Кубический З^гС - стабильный приблизительно до температуры 20002200С.

2. Гексоганальный а^гС - стабильный при более высоких температурах.

Различными свойствами кристаллов карбида кремния посвящены многочисленные исследования, но исследования кристаллов карбида кремния на абразивный износ практически отсутствуют, кроме упоминания об этом свойстве в работах [2, 3].

Известно несколько методов получения кристаллов карбида кремния, но самым перспективным является метод высокотемпературного синтеза из газовой фазы [4].

Существуют три способа получения изделий из карбида кремния на основе

[5, 6, 7]:

1. Монолитного самосвязанного по-ликристаллического карбида кремния.

2. Силицированных графитов.

3. Композиционных материалов на основе карбида кремния - метод реакционного спекания.

Рассматривая способы получения изделия из карбида кремния с точки зрения износостойкости против гидроабра-

зивного воздействия, следует остановиться на следующем, что в принципе все они отличаются друг от друга методом получения заготовок матриц готового изделия под заключительную операцию - силицирование. Именно методе получения заготовок реализуются необходимые требования к материалу, обладающему высокой гидроабразивной стойкостью - создание однородной структуры, которая характеризуется большим содержанием компонента, обладающего наибольшей твердостью в объеме материала и наименьшим расстоянием между кристаллами этого компонента [8]. В целом процесс взаимодействия углерода заготовки с кремнием должен протекать при соблюдении следующего условия: поверхность протекания реакции взаимодействия кремния с углеродом заготовки матрицы изделия должна быть максимально возможной. Только в этом случае можно обеспечить максимальное содержание кристаллов карбида кремния в готовом изделии с минимальным расстоянием между ними.

Для этого необходимо транспортирование кремния в порах между частицами углеродистого материала и в порах самого углеродистого материала. Этим требованиям наиболее полно удовлетворяет заготовка, полученная методом химического формования, которая обладает следующими преимуществами:

1. Наличие во всем объеме заготовки пронизывающей открытой пористости, формирующейся в результате деструкции летучих веществ при термическом разложении термореактивной смолы во время нагрева до температуры начала взаимодействия кремния с углеродом, а также отсутствия операции прессования.

2. Открытая пористость позволяет осуществлять транспортирование кремния по всему объему заготовки между час-

тицами углеродистого вещества, увеличивая поверхность взаимодействия между компонентами, вступающими в реакцию, что сокращает длительность процесса взаимодействия. В тоже время, применение неграфитирующегося углерода, обладающего открытой пористостью, в качестве материала заготовки, позволяет положительно влиять на образование кристаллов карбида кремния в количественном отношении и на равномерность их расположения в объеме готового изделия.

Применение метода химического формования для получения заготовок изделий из неграфитирующегося углерода позволяет наиболее полно решать задачу транспортирования кремния в порах заготовки и самого углеродистого вещества. Этим обеспечивается наивысшая скорость протекания реакции и наиболее полное взаимодействие вступающих в реакцию кремния и углерода. В результате образуется монолитная структура материала на основе карбида кремния с точной фиксацией требуемой формы готового изделия, возникающей благодаря образованию каркаса сросшихся кристаллов при взаимодействии углерода заготовки с кремнием, при этом достигается большая однородность получаемого материала.

Рассмотренный процесс получения изделий на основе карбида кремния с применением метода химического формования заготовок позволяет получать изделия из композиционного материала с содержанием карбида кремния 9093%, т.е. с высокой однородностью и твердостью до 9 ед. по Моосу [9].

Изделия, полученные этим методом, имеют колебания химического состава [10]: по карбиду кремния от 90-93%; по свободному кремнию от 7-10%; по свободному углероду от 0-1,5%.

Радиусы пор

Рис. 1. Кривые радиусов пор неграфитирующегося углерода в зависимости от температур термической обработки

Это естественно снижает однородность материала и его стойкость, особенно, если, как указанно в работе [3], при гидроабразивном воздействии пульпы могут возникать кавитационные явления, когда микроповерхность материала, кроме гидроабразивного воздействия подвергается микроударным нагрузкам большой силы.

Однородность получаемого материала определяется количеством и равномерностью распределения кристаллов карбида кремния в объеме и характеризуется расстоянием между ними. На это влияет на размер и расположение пор в исходном углеродистом веществе. Изменение пористости неграфитирующегося углерода происходит в области температур 700 0С, 1200 0С, 1500 0С и 1800 0С [12].

Для исследования влияния пористости исходного неграфитирующегося вещества - торфяного кокса - на количество образовавшегося карбида кремния он подвергался термической обработке при температурах 700 0С, 1200 0С, 1500 0С, 1800 0С. Интервалы распределения

пор по размерам в области каждой температуры исследовались методом малого углового рассеивания рентгеновских лучей в малоугловой рентгеновской камере К.Р.М.- 1. Съемка велась на медном излучении. Сравнение интенсивности рентгеновских лучей под малыми углами проводили в виде зависимостей, указанных на рис. 1.

Результаты исследований показали, что предварительная обработка неграфити-рующегося углеродистого вещества при температуре 1200 0С дает наиболее однородную структуру с содержанием карбида кремния до 9596% в виде каркаса сросшихся кристаллитов. Химический анализ показал, что полностью отсутствует свободный углерод, а содержание кремния колеблется в материале от 4% до 5%.

На содержание карбида кремния в готовом изделии кроме пористости заготовки оказывает влияние и такие технологические параметры, как температура взаимодействие кремния с углеродом и время выдержки при этой температуре, поэтому необходимо выявить степень этого влияния, а также определить оптимальные технологические параметры при которых достигается максимальное значение содержания карбида кремния в готовом изделии. Это дает возможность выбрать нагревательное оборудование для осуществления разработанной технологии в промышленных условиях.

По диаграмме состояния кремний углерод можно определить области существования раствора и расплава на основе кремния, а также температуру диссо-

циации карбида кремния равную 2760 0С.

Взаимодействие кремния с углеродом начинается при температуре плавления кремния - около 1450 0С, но скорость взаимодействия до температуры 2100 0С незначительна [13], поэтому исследования проводились в области температур от 1600 0С до 2400 0С, т.е. в той области, в которой при минимальной температуре взаимодействия кремний находится в расплавленном состоянии, а при максимальной температуре диссоциация карбида кремния теоретически не происходит.

Для исследования методом химического формования из неграфитирующе-гося углерода, прошедшего термическую обработку при температуре 1200 0С изготавливались одинаковые кубические заготовки-матрицы. Силицирова-ние вели в среде аргона в печи Таммона. Скорость нагрева до температуры исследования была во всех случаях 40 0С в минуту. Содержание карбида кремния определялось методом химического анализа после достижения заданной температуры, а затем после времени каждой выдержки до получения максимального значения кремния в образце. При достижении каждого максимально значения увеличивалось время выдержки на 10 мин., опыт повторялся, чтобы подтвердить достигнутый максимум. Для каждого значения опыт повторялся по пять раз, и брались средние арифметические значения. Данные исследования приведены в табл.1.

Анализ полученных данных позволяет сделать вывод, что максимального значения содержания кристаллов карбида кремния можно достигнуть при любой температуре в исследуемой области. Однако скорость протекания реакции взаимодействия углерода заготовки с кремнием зависит от температуры проте-

кания реакции, а это влияет на продолжительность и производительность технологического процесса получения изделий. Длительность процесса взаимодействия при температуре 1600 0С в 5,4 раза выше, нежели при температуре 2400 0С.

Рентгеновский анализ показывает, что в образцах, полученных до температуры 2200 0С содержится только З-

модификации карбида кремния, а в образцах, полученных выше этой температуры, смесь а и З фаз карбида кремния. Все это говорит о том, что в производственных условиях можно применять любое нагревательное оборудование, позволяющее получить температуру от 1600 0С и выше. Качество полученных изделий по содержанию карбида кремния и однородности структуры не зависит от температуры протекания реакции взаимодействия углерода заготовки с кремнием в области исследуемых температур. В то же время, прерывая процесс взаимодействия при определенной достигнутой температуре, изменяя время выдержки, а также применяя для формирования заготовки матрицы не-графитирующийся углерод, прошедший предварительную термическую обработку можно изменять содержание карбида кремния в изделии, т.е. изменять однородность структуры получаемого материала и этим, в определенных пределах управлять процессом изнашивания, влияя на долговечность оборудования.

Данные, представленные в табл. 2 по применению в производственных условиях на второй стадии обогащения фосфоритов производственного объединения «Фосфаты» песковых насадок из карбидокремниевых материалов,

123

Таблица 1

Образование карбида кремния в области температур от 1600-2400 0С в зависимости от времени выдержки

Время выдержки при температуре, мин

е & и 1 £ н 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

1600 38,7 39,1 40,6 42,5 45,2 49,8 59,9 70,1 74,7 78,4 83 86,8 88,6 92,4 95,4

1700 44,5 42,5 44,8 48,9 55,1 60,9 72,9 75,2 84,9 89,1 95,9 95,9 95,9

1800 47 49,8 56,3 67,3 79,5 94,2 95,7 95,8

1900 49,5 54,6 78,6 90,4 96,1 96

2000 53,2 59,0 86,1 92,4 96 96,1

2100 54,5 60,1 90,5 95,9 95,9

2200 60,3 70,1 92,7 96,1 96,1

2300 69,2 73,3 94,3 96 96,2

2400 76,6 83,1 96,2 96,1

Таблица 2

Долговечность Песковых насадок из карбида кремния, полученных различными технологическими способами

Диаметр гидроци- Технологическая опе- Содержание Объемный Долговечность, час

клона, рация твердого в расход пуль- 1 2 3 4

мм пульпе, % пы, м3/час Силицир. графит я я " = и § & а І 1 3 »о И Метод реакц. спекания Метод реакц. спекания с неграфит. углеродом

1000 Обесшамливание 12 1500 4180 5780 8860 9710

500 Обесшамливание 30 1250 4120 5760 8640 9700

3500 Обесшамливание 50 800 3980 5600 8640 9420

250 Обесшамливание 25 400 4120 5760 8980 9750

Содержание карбида кремния в изделии, % 45 83 92 96

Содержание ЭЮ, %

Рис. 2. Увеличение долговечности Песковых насадок гидроциклонов в зависимости от содержания карбида кремния в их материале

полученных разными способами, позволяют сделать общий вывод: долговечность Песковых насадок с ростом содержания карбида кремния в изделии увеличивается.

Графическая интерпретация полученных данных по увеличению долговечности представлена на рис.2.

Анализируя данные графической интерпретации увеличения долговечности, представленные на рис. 2, следует остановиться на том, что имеются принципиальные различия между методами получения заготовок рассматриваемых карбидокремниевых изделий.

При силицировании графита заготовка обладает большой плотностью и это не позволяет проникать кремнию на большую глубину. Изделия получаются со сравнительно низким, до 45%, содержанием карбида кремния и неравномерным распределением его кристаллов в объеме материала.

В случае получения изделия из монолитного самосвязанного карбида кремния, материалы заготовки - углерод и готовые кристаллы карбида кремния

подвергают смешиванию, а затем прессуют. При этом на расположение кристаллов первичного карбида кремния сказываются все технологические недостатки операции смешивания. Операция прессования приводит к уплотнению заготовки и при образовании вторичного карбида кремния изделию присущи все недостатки, которые характеризуют изделия, полученные методом силицирования графитов. Неравномерность расположения кристаллов карбида кремния в объеме материала приводит к ослаблению связей между ними и при абразивном или гидроабразивном воздействии может происходить выбивание или вымывание их из объема материала изделия.

В случае изготовления песковых насадок из карбида кремния способом реакционного спекания, заготовки получают методом химического формования. Они характеризуются пронизывающей их объем пористостью. Применение не-графитирующегося углерода, предварительно обработанного при температуре 1200 0С, увеличивает количество откры-

тых пор и позволяет получить материал с содержанием карбида кремния до 96%. Данные преимущества метода химического формования для получения заготовок позволяют получать материалы с большим содержанием карбида кремния, равномерным расположением его кристаллов в объеме материала с минимальным расстоянием между ними, что дает возможность получить структуру, характеризующуюся наличием каркаса сросшихся кристаллов карбида кремния в изделиях строго фиксированной формы.

Только неравномерным расположением кристаллов карбида кремния и слабостью связей между ними можно объяснить, что с увеличением содержания SiC на 38% в изделиях из монолитно связанного карбида кремния в сравнении с изделиями, полученными методом силицирования графитов, дало увеличение долговечности на 38,6%. При этом увеличение содержание карбида кремния в материале, полученным методом реакционного спекания в сравнении с материалом, полученным методом монолитного самосвязанного карбида кремния, на 9% увеличило долговеч-

ность изделия на 53%. Это объясняется равномерным расположение кристаллов карбида кремния в структуре материала и наличием связей между ними, т.е. наличием каркаса сросшихся кристаллитов. Применение для получения заготовок изделий из неграфитирующегося углерода, прошедшего предварительную термическую обработку при температуре 1200 0С, позволило увеличить содержание карбида кремния в материале на 4% и увеличить долговечность на 9,6%. В этом случае произошло уплотнение каркаса сросшихся кристаллитов за счет уменьшения расстояния и упрочнения связей между ними.

Приведенные данные позволяют сделать вывод, что структура карбидокремниевых материалов, обеспечивающих повышение износостойкости и высокую долговечность рабочих поверхностей оборудования, должна характеризоваться не только максимальным содержанием карбида кремния с равномерным расположением его кристаллов в объеме материала и расстоянием между ними, стремящимся к нулю, но и наличием механически прочных связей между кристаллами.

1. Бетехтин А.Г. Курс минералогии, Гос-гориздат, М.,1961.

2. Поваров А.И. Гидроциклоны на обогатительных фабриках., М., Недра, 1978

3. Повышение износостойкости горнообогатительного оборудования. Под ред. Пен-кина Н.С., М., 1992.

4. Францевич И.Н. Авторское свидетельство №176070 от 26.02.1964.

5. Францевич И.Н., Гнесин Г.Г., Семенов Ю.Н., Бородин П.Я., Машицкий А.А., Исследование условий получения и эксплуатации по-ликристаллического карбида кремния. Сб. Карбид кремния, К., Наукова думка, 1966.

6. Костарева Т.В. Роль агрегатного состояния кремния при образовании графит-

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

карбидокремневых композиций. Материалы семинара «Графиты и их применение в промышленности», 1974.

7. Андрес В.В., Касатыкин В.И., Рабин Н.И., Саликов В.С. Способ изготовления изделий из карбида кремния. Авторское свидетельство №675036, бюллетень №27 от 25.07.79.

8. Плотниченко Н.В., Шагарова О.Н. Требования к конструктивным материалам, способным увеличить межремонтный период оборудования при работе в гидроабразивных средах. // Сб. научн. тр. студ. и магистров, М: МГГУ., вып. 5., 2005, стр. 250-255;

9. Шагарова О.Н. Выбор и обоснование способов повышения долговечности оборудования технологических линий производства

кварцевого песка. Дисс. на соиск. уч. степ. к.т.н., М., МГГУ, 2005

10.Рабин Н.И. Повышение межремонтного периода оборудования технологических линий обогащения фосфоритов на основе применения износостойких футеровок. Дисс. на соиск. уч. степ. к.т.н. М., МГИ, 1985.

11. Скрипченко Г.В., Касаткин В.И. Сб. Структурная химия углерода и углей, М., Наука, 1970, с.67

12.Фиалков А.С. Формирование структуры и свойства углеграфитовых материалов, М., Металлургия, 1965

13.Гнесин Г.Г., Куругомов А.В. Роль агрегатного состояния кремния в процессе сили-цирования и исследование кремниевой фазы в силицированных графитах, Сб. Карбид кремния, К., Наукова думка, 1966.

— Коротко об авторе ---------------------------

Шагарова О.Н. -доцент, кандидат технических наук. Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, [email protected]

----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ им. Г.В. ПЛЕХАНОВА (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ПОДОСЕНОВ Александр Александрович Оценка устойчивости выработок на удароопасных пластах в различных геодинамических условиях Воркут-ского угольного месторождения 25.00.20 к.т.н.

КОНДРАТЕНКО Олеся Васильевна Обоснование рациональных параметров машины для снижения влагосо-держания сапропеля энергосберегающим способом 05.05.06 к.т.н.

ФЕДОРОВ Федор Владимирович Обоснование рациональных параметров канатных ловителей для шахтных конвейеров с подвесной лентой 05.05.06 к.т.н.