CC BY
13
УДК 662.1
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ШИХТЫ НА ПРОЦЕСС СИНТЕЗА
КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА И КАРБИДА ТИТАНА И ФОРМИРОВАНИЕ ПРОДУКТОВ Яценко Игорь Владимирович, аспирант Самборук Анатолий Романович, д.т.н., профессор (e-mail: [email protected]) Кузнец Елена Анатольевна, к.т.н. Мамонтов Дмитрий Александрович, магистрант Самарский государственный технический университет, Самара, Россия
Рассмотрено влияние дисперсности порошка титана и различных модификаций углерода на протекание реакции и формирование ее продуктов.
Ключевые слова: горение, термиты, композиты, дисперсность, порошок титана, углерод
В случае синтеза композиционных материалов, в том числе для получения экономического эффекта, СВС-процессы часто используют в сочетании с термитным процессом, что позволяет использовать в качестве исходных веществ оксиды металлов вместо чистых порошков элементов. В работах последних лет [1-4] отмечается возможность управления процессами СВС с помощью термически-сопряженных реакций, сочетая друг с другом эндотермические (или низкоэкзотермические) и высокоэкзотермические процессы. Идея организации такого взаимодействия принадлежит академику Мержанову А.Г. [1]. Простейшая схема термически-сопряженных реакций представлена на рисунке 1.
Донорная реакция
Ri + R2->P 1,1 +Си
К3 + 1*4 РМ + 4
Акцепторная реакция
Рисунок 1 - Схема термически-сопряженных реакций
Здесь Я2, Я3, Я - реагенты, РЬ2, Р3,4 - продукты, а Q1,2 и Q3,4 - тепловые эффекты реакций.
В работе [3] показана возможность реализации слабоэкзотермического процесса образования Т1Л1 за счет тепла реакции высокоэкзотермической системы Бе203+2Л1. В таком случае реакция Бе203+2Л1 ^ 2Бе+Л1203 является донорной, а Т1+Л1 ^ Т1Л1 акцепторной. В результате сопряженного
СВС-процесса был получен продукт, преимущественно состоящий из фазы TiAl с включениями Т^Л1 и Л].
При получении композиционных материалов на основе железа и карбида титана применение сопряженных реакций открывает перспективы использования в качестве восстановителей железа неметаллов путем реализации таких эндотермических реакций за счет тепла образования карбида титана.
Для получения композита на основе железа и карбида титана с восстановлением железа из его оксида углеродом предлагается способ сжигания порошковой шихты состава ^+С+Бе203. При этом углерод взаимодействует как с титаном, так и с оксидом железа по реакциям:
Т + С = ТЮ + о Бе20з + 3С = 2Бе + 3С0| - О
Общее уравнение процесса запишется следующим образом:
х (Т + С) + у (Бе20з + 3С) = х ТЮ + у (2Бе + 3С0)| + О
Восстановление железа из его оксида твердым углеродом протекает в режиме сопряжения с СВС-процессом синтеза карбида титана с образованием композита Бе-^С.
В соответствии с проведенными термодинамическими расчетами ожидается образование твердого карбида титана и жидкого железа. Выделение угарного газа должно способствовать увеличению пористости и препятствовать спеканию продукта.
Интерес при постановке экспериментов вызывает проверка возможности осуществления описанного механизма образования композита, определение оптимальных соотношений исходных компонентов, анализ влияния размеров исходных порошков на процесс синтеза и продукты реакции, а также способ измельчения и размола продукта для получения порошка.
Для определения потенциальной возможности реализации предлагаемого способа получения композита в качестве исходного материала были использованы порошки титана ТПП-7, углерода П-701, оксида железа (III).
Сжигание порошковой шихты проводилось в установке, представленной на рисунке 2. При проведении синтеза во всех экспериментах замерялось время горения и велись наблюдения за режимом горения.
Проведены эксперименты по сжиганию порошковой шихты состава х(^+С)+у(Бе203+С) с постепенным увеличением содержания второго компонента до наступления предела горения.
Отмечен спокойный характер протекания процесса без выбросов исходной шихты или продуктов реакции. Скорость горения закономерно снижается с увеличением содержания (Бе203+С) в реакционной шихте и при 35 % наступает предел стабильного горения (рисунок 3).
Рисунок 2 - Лабораторная установка для проведения СВС
5,00 4,50 4,00 3,50
о 2,50 -с
§ 2,00 о-о
5 1.50 1,00 0,50 0,00
О 5 10 15 20 25 30 35 40
Содержание {Ге203+С) в шихте, %
Рисунок 3 - Скорость горения порошковой шихты в зависимости от содержания (Бе203+С)
При содержании в исходной шихте (Бе203+С) в количестве 40-45 % горение возможно инициировать, но процесс, как правило, не идет до конца, горение останавливается. При содержании в исходной шихте (Бе203+С) в количестве 50 % горение инициировать невозможно.
Продуктом реакции является спек из отдельных гранул порошка, который легко поддается размолу (рисунок 4).
1 2 3
Рисунок 4 - Продукты реакции: 1) общий вид продукта;
2) сечение продукта при 25 % (Бе203+С) в исходной шихте;
3) сечение продукта при 40 % (Бе203+С) в исходной шихте
Как видно, спек состоит из гранул двух видов - черных и серых. С увеличением содержания (Fe2O3+C) в исходной смеси порошков количество черных гранул в продуктах реакции увеличивается. При содержании (Fe2O3+C) в исходной шихте не более 25 % черные гранулы образуются только на границе контакта с кварцевой трубкой, в которой проводится сжигание. Основная масса продукта состоит из серых гранул. При дальнейшем увеличении содержания (Fe2O3+C) в основной массе также появляются черные гранулы и участки характерного красного цвета, указывающие на наличие непрореагировавшего оксида желез (III) (рисунок 5).
Рисунок 5 - Продукт реакции при содержании 30 % (Fe2O3+C) в исходной
шихте
По результатам рентгенофазового анализа определено, что серый порошок представляет собой композит состава Fe-TiC (рисунок 6). Количественная оценка показала следующее содержание фаз: ТЮ - 83 %, Fe - 17 %.
03-065-8804 : Т1Ъап1ит СагЫ<1е [Khamrabaevite, эуп]/Т1 С
00-001-1262 : 1гоп/Ге
21).О 30.0 40.0 ЬО.О 60 . и 70.0 90.0
Рисунок 6 - Результат рентгенофазового анализа серого порЛпса: А- Бе;
- ТЮ
В составе черного порошка кроме композита Fe-TiC обнаружены непро-реагировавшие оксиды железа и углерод (рисунок 7).
ф 03-065-8417 ; Titanium Carbide/Ti CD 1 01-075-0444 : СагЬоп/СП ■ 01-071-4410 : Iron/F. +00-001-1223 : Iron Oxide/Fe OO 4 00-024-0072 : Iron Oxide [Hematite]/Fe2 ОЗУ
Рисунок 7 - Результат рентгенофазового анализа черного порошка: • - ТЮ; - С; - Бе; - Бе203; - Бе0
Гранулы порошка композита имеют округлую форму, их размер составляет порядка 100... 500 мкм (рисунок 8)
Рисунок 8 - Фотография порошка композита при увеличении х35
Микроструктурный и элементный анализы подтвердили отсутствие в составе серых гранул дополнительных элементов кроме Т1, С, Бе. На рисунке 9 основная масса - ТЮ, белые включения - Бе.
Рисунок 9 - Фотография поверхности частицы порошка композита х500
Таким образом, в результате процесса горения порошковой смеси Т1+С+Бе203 действительно происходит восстановление железа углеродом за счет тепла, выделяющегося при синтезе карбида титана. Полученные
продукты представляет собой порошок карбида титана, поверхность которого покрыта частицами железа. Размер гранул полученного порошка примерно соответствует размеру исходного порошка титана.
Список литературы
1. Мержанов, А.Г. ДАН [Текст] / 2010, том 434, № 4. - С. 489-492.
2. Kharatyan, S.L. Coupling Reactions in SHS. New Possibilities for Materials Synthesis [Тех^ / S.L. Kharatyan, A.G. Merzhanov // XI International Symposium of self-propagating high-temperature synthesis. Book of abstracts. Greece, 2011.- 153 p.
3. Студеникин, И. А. Термически сопряженные процессы СВС в слоевых системах: экспериментальная диагностика [Текст] / И. А. Студеникин, А.В. Линде, А. А. Кондаков // Тезисы докладов ежегодной научной конференции ИСМАН, 2016.
4. Чухломина, Л.Н. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез нит-ридсодержащих керамических материалов [Текст] / Л.Н. Чухломина, Ю.М. Максимов, В.И. Верещагин // Новосибирск: Наука, 2012. - 260 с.
Yatcenko Igor Vladimirovich, graduate student
Samboruk Anatoliy Romanovich, Ph.D., professor
(e-mail: [email protected])
Kuznets Elena AnatoVevna, Ph.D.
Mamontov Dmitrii Aleksandrvich, undergraduate
THE EFFECT OF CHARGE COMPOSITION TO COMPOSITES SYNTHESIS PROCESS FROM FERRUM AND TITANIUM CARBIDE AND PRODUCTS FORMATION.
Samara State Technical University, Samara, Russia
Abstract: The effect of titanium powder dispersion and different carbon modifications to reaction process and products formation are considered.
Key words: combustion, thermits, composite, dispersion, titanium powder, carbon.
