Физикохимия взаимодействия наночастиц тугоплавких соединений с поверхностно-активным веществом в расплавах на основе Ni и Fe и их влияние на структурные свойства

• Автор: Анучкин, Сергей Николаевич
• Шифр специальности: 05.16.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 177 с. : ил.

Содержание
Введение

I. Аналитический обзор литературы

1. Роль поверхностных явлений при удалении неметаллических включений

2. Влияние размера частиц на процесс адсорбции и взаимодействие НЧТФ с ПАВ в растворах

3. Модифицирование металлических расплавов ультрадисперсными порошками

3.1. Литературный обзор по модифицированию металлических расплавов

3.1.1. Влияние УДП на различные марки сталей

3.1.2. Влияние УДП на различные марки чугунов

3.1.3. Влияние УДП на жаропрочные никелевые сплавы

3.1.4. Выводы по литературному обзору

3.2 Патентный обзор по модифицированию металлических расплавов
4. Механохимия и приготовление композиционного материала в планетарной мельнице
5. Анализ способов рафинирования металла от примесей цветных металлов
6. Выводы по главе
II. Физико-химическое исследование композиционного материала, содержащего НЧТФ, для введения их в жидкий металл
1. Стандартная энергия Гиббса диссоциации частиц в жидком металле
2. Смачиваемость металлических расплавов тугоплавкими соединениями
3. Получение наночастиц плазмохимическим синтезом
4. Анализ строения и свойств полученных наночастиц тугоплавких фаз
5. Свойства матричного микронного порошка никеля и железа
6. Методика приготовления композиционного материала методом механохимии
7. Расчет энергонапряженности планетарных мельниц
8. Исследование структуры и морфологии композиционного материла
9.Анализ удельной поверхности и дисперсного состава частиц композиционного материала..
10. Исследование фазового состава и структуры композиционного материла
11. Химический анализ композиционного материала
12. Выводы по главе II
III. Физико-химические закономерности гетерофазного взаимодействия экзогенных наночастиц тугоплавких фаз с ПАВ металлического расплава
1. Механизм гетерофазного взаимодействия НЧТФ с ПАВ
2. Гетерофазное взаимодействие в модельной системе №-8-НЧТФ
2.1. Термодинамика системы N
2.2. Термодинамика удаления серы в виде 8г, 80г, ІПБ и образования сульфидов
2.3. Подготовка образцов и методика работы с вакуумной индукционной печью
2.4. Влияние времени выдержки на гетерофазное взаимодействие НЧТФ с серой
2.5. Теоретический анализ процесса удаления ансамблей НЧТФ+ПАВ из расплава
2.6. Влияние размера НЧТФ на гетерофазное взаимодействие НЧТФ с серой
2.7. Влияние доли НЧТФ в расплаве на гетерофазное взаимодействие НЧТФ с серой
2.8. Выводы по гетерофазному взаимодействию в модельной системе Ы1-8-НЧТФ
3. Гетерофазное взаимодействие в модельной системе №-8п-НЧТФ

3.1. Термодинамика системы Ni-Sn
3.2 Поверхностное натяжение системы Ni-Sn
3.3 Термодинамика удаления олова из расплава Ni-Sn
3.4. Влияние размерных факторов на гетерофазное взаимодействие НЧТФ с оловом
3.5. Выводы по гетерофазному взаимодействию в модельной системе Ni-Sn-НЧТФ
4. Гетерофазное взаимодействие в модельной системе Fe-Sn-НЧТФ
4.1. Термодинамика системы Fe-Sn
4.2 Поверхностное натяжение системы Fe—Sn
4.3 Термодинамика удаления олова из расплава Fe-Sn
4.4. Влияние размерных факторов на гетерофазное взаимодействие НЧТФ с оловом
4.5. Выводы по гетерофазному взаимодействию в модельной системе Fe-Sn-НЧТФ
5. Удаление примесей цветных металлов меди и олова из сталей и сплавов
5.1. Удаление меди из нержавеющей стали 12Х18Н10Т
5.2. Удаление меди и олова из сложнолегированного никелевого сплава ЭП708ВД
5.3. Удаление меди и олова из трубной стали 10Г2ФБ
5.4. Выводы по удалению примесей цветных металлов из сталей и сплавов
6. Выводы по главе III
IV. Влияние наночастиц тугоплавких соединений на структурные свойства расплава
1. Метод большой капли для определения поверхностного натяжения и плотности металлических расплавов
2. Методика работы с горизонтальной печью сопротивления для измерения поверхностного 117 натяжения и плотности расплавов методом большой капли
3. Теоретический расчёт полной погрешности измерения поверхностного натяжения в методе большой капли по предложенной методике
4. Структурные свойства никеля различных марок
5. Структурные свойства системы Ni-S
6. Структурные свойства системы Ni-S-НЧТФ
6.1. Поверхностное натяжение системы Ni-S-НЧТФ
6.2. Плотность системы Ni-S-НЧТФ
7. Структурные свойства системы Ni-Sn
8. Структурные свойства системы Ni-Sn-НЧТФ
8.1. Поверхностное натяжение системы Ni-Sn-НЧТФ
8.2. Плотность системы Ni-Sn-НЧТФ
9. Структурные свойства систем Fe и Fe-Sn
10. Структурные свойства системы Fe-Sn-НЧТФ
10.1. Поверхностное натяжение системы Fe-Sn-НЧТФ
10.2. Плотность системы Fe-Sn-НЧТФ
11. Влияние наночастиц на размер зерен никеля
12. Анализ неметаллических включений системы Ni-S-НЧТФ
13. Выводы по главе IV
Общие выводы по работе
Список литературы
Список работ, опубликованных по теме диссертации
Приложение

Введение
Актуальность проблемы
За последние десять лет интенсивное развитие получили нанотехнологии в различных областях науки и техники. Они уже широко применяются в фармакологии, в производстве материалов для электроники, машиностроении, строительстве, в авиационной и космической отраслях. Нанотехнологии используются и в металлургии, которая продолжает оставаться одной из базовых отраслей промышленности. Основной проблемой металлургии является повышение качества изделий, в связи с чем ведется непрерывный поиск новых, более эффективных и универсальных способов улучшения свойств металла, в том числе и за счет рафинирования его от вредных примесей. Примечательно, что за последние годы применение порошкообразных материалов для рафинирования и модифицирования металлических расплавов приобрело большие масштабы. Благодаря уменьшению размеров частиц порошка увеличивается интенсивность взаимодействия с матрицей, что приводит к более качественным результатам и к повышению эффективности процесса. Поэтому разработка новых подходов с применением порошковых наночастиц открывает новые пути для улучшения качества металла.
За последние годы в мире выполнены исследования, посвященные процессам инокулирования с использованием ультрадисперсных частиц (оксидов, нитридов, карбидов, карбонитридов и т.д.) в расплавах на основе железа (чугуны, стали), никеля (сложнолегированные жаропрочные сплавы), алюминия и магния. Рассмотренные работы, посвящены, как правило, влиянию частиц на механические характеристики готовых изделий, но недостаточно полно рассмотрены физико-химические закономерности выбора ультрадисперсных частиц для конкретных сплавов, а также недостаточно подробно теоретическое обоснование их возможного взаимодействия с расплавом и поведения при кристаллизации. Во всех случаях отмечается положительный эффект, однако результаты действия ультрадисперсных частиц разняться и существенно зависят от выбранной системы.
По происхождению тугоплавкие неметаллические включения в металлическом расплаве могут быть либо эндогенные, либо экзогенные. Эндогенные неметаллические включения образуются в результате химических реакций введенных различных компонентов с растворёнными в металле примесями. Большую часть эндогенных неметаллических включений составляют, как правило, не удалившиеся частицы, образованные в результате процесса раскисления. Экзогенные неметаллические включения вносятся в металл извне и к ним относятся продукты эрозии огнеупоров, частицы шлака, ферросплавов и т.д., не успевшие раствориться или всплыть на поверхность жидкого металла. Обычные эндогенные неметаллические включения являются нежелательными, так как снижают эксплуатационные

и их химического взаимодействия с огнеупором не происходит. Авторами [112] рассматривалось взаимодействие олова с футеровочным материалом сталеплавильных агрегатов. Обнаружено различие адсорбции олова на хромомагнезитовом и магнезитовом огнеупорах. Показано, что для хромомагнезитового огнеупора интенсивность проникновения олова максимальна в течение первых 15-30 мин и что общая масса металла, сорбированная поверхностью огнеупора, увеличивается с ростом температуры. Для магнезитового огнеупора после кратковременного перехода олова в поверхностные слои, наблюдается снижение олова при увеличении времени контакта жидкого металла с поверхностью огнеупора. В исследовании [113] изучено взаимодействие цинксодержащих материалов с огнеупорами и показано, что с повышением температуры и времени выдержки наблюдается увеличение сорбции цинка на поверхности огнеупора. При температуре 800 °С диффузия цинка через огнеупор толщиной 12 мм происходит лишь через 60 мин с момента контакта с цинком, а при 900 °С проникновение цинка через образец наблюдается уже после 15 минут.
Таким образом, в данных работах отмечаются процессы адсорбции примесей цветных металлов на поверхности огнеупоров. Это указывает на возможность их удаления по адсорбционному механизму при введении НЧТФ в жидкие металлы. Поэтому изучение физикохимии взаимодействия наночастиц тугоплавких соединений с ПАВ приведет к новому подходу, позволяющему уменьшать содержание вредных примесей цветных металлов.
6. Выводы по главе I
Исследованы литературные данные о влиянии поверхностных явлений на удаление неметаллических включений из жидкого металла и показано, что для частиц менее 20 мкм особое значение играют не гравитационные а поверхностно-адсорбционные силы. В результате адсорбции ПАВ образовавшиеся частицы приобретают поверхностно-активные свойства и перемещаются в расплаве, сталкиваются, укрупняются и в дальнейшем всплывают под действием гравитационных сил на границы раздела фаз. Причем строение образовавшихся частиц будет зависеть от концентрации поверхностно-активных веществ и размера неметаллических включений. Анализ работ, посвященных взаимодействию наночастиц с ПАВ в растворах при комнатной температуре, показал, что для ПАВ свойственно адсорбироваться на поверхности наночастиц, причем степень адсорбции связана с кривизной поверхности.
На основании рассмотренных данных об адсорбционном взаимодействии можно предположить, что при введении НЧТФ в высокотемпературный металлический расплав, на поверхности частицы будет происходить адсорбция вредных примесей с образованием ансамблей НЧТФ+ПАВ, формирование макроскопической фазы и удалением ее под влиянием