Page 1

NEW PROCESSES OF MANUFACTURING NON-ORGANIC COMPOSITE MATERIALS Ryazanov S.A. Dep. «Technology of Casting Processes» of Samara State Technical University, Samara, 443100, Russia; GOUVPO SamSTU, Molodogvardeiskaya St., 244; t/f (846) 242-22-68 Abstract Based on laws obtained at investigation of metal-stable states of heterogeneous systems a number of technologies for obtaining metal and ceramic materials have been developed. The suggestion that the substance of the interface boundary of the phases is in metal-stable state has been put forward. When reaching the state of metal-stable equilibrium between condensed phases, the adhesion bonding may occur, the condensed phases may increase its specific surface and create metal-stable crystal modifications at the interface boundaries. The use of temperature gradient as the main moving force of the creation of phases interface boundary forms the basis of the developed technologies. The formation of temperature gradient is possible as owing to the heating up to different temperatures interacting condensed phases as well as due to the use of exothermal reactions. The technology of obtaining metal composite materials with aluminium matrix reinforced with dispersive particles is developed and patented. The technological process of obtaining wear-resistant plates made of metal composite materials based on steel and pig iron with reinforcing phase titanium carbide and titanium diboride is developed. Impregnation of synthesised porous body with matrix metal is carried out, owing to temperature difference between metal melt and synthesised reinforcing phase during exothermic mixture burning. For obtaining refractory products made of ceramic composite materials with the matrix basea on the aluminium oxide the alumothermal reactions are used. The developed technology is successfully used during several years. НОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Рязанов С. А. Аннотация На основе закономерностей, полученных при изучении метастабильных состояний гетерогенных систем, разработан ряд технологий получения металлических и керамических композиционных материалов. Было сделано предположение, что вещество поверхности раздела фаз находится в метастабильном состоянии. При достижении состояния метастабильного равновесия между конденсированными фазами может 1


образоваться адгезионная связь, конденсированные фазы могут увеличить свою удельную поверхность и образовать по границам раздела метастабильные кристаллические модификации. В основе разработанных технологий лежит использование градиента температур, как основной движущей силы образования поверхности раздела фаз. Создание градиента температур возможно как за счет нагрева до различных температур взаимодействующих конденсированных фаз, так и за счет использования экзотермических реакций. Разработана и запатентована технология получения металлических композиционных материалов с алюминиевой матрицей, упрочненной дисперсными частицами. Разработан технологический процесс получения износостойких пластин из металлических композиционных материалов на основе стали и чугуна с упрочняющей фазой – карбид титана или диборид титана. Пропитка синтезированного пористого тела металлом матрицы осуществляется за счет разности температур между металлическим расплавом и синтезируемой упрочняющей фазой при горении экзотермической смеси. Для получения огнеупорных изделий из керамических композиционных материалов с матрицей на основе окиси алюминия, используются алюмотермитные реакции. Разработанная технология успешно используется в течение нескольких лет. Структура композиционного материала представляет собой непрерывную матрицу c включениями дискретной упрочняющей фазы. Очевидно, что такая система является гетерогенной. В данной работе предлагается модель процессов получения керамических и металлических композиционных материалов с точки зрения физической химии гетерогенных систем. В работе [1] показано, что одним из существенных дополнений физикохимического анализа ультрадисперсных систем является необходимость учета дисперсности вещества. На основе единого подхода объясняется влияние дисперсности вещества на температуру плавления, полиморфных превращений и спекания; на коэффициент диффузии; на химическую активность. Авторы утверждают, что независимо от способа получения дисперсной системы, ее избыточная энергия определяется либо поверхностной энергией, либо образованием метастабильных растворов. Вклад метастабильных состояний в энергонасыщенность системы в упомянутой работе не оценивается. Обращает на себя внимание сходство вещества, находящегося в метастабильном состоянии, и дисперсного вещества. Как дисперсное, так и метастабильное вещество отличается пониженной температурой плавления, повышенными реакционной способностью, давлением пара и растворимостью. Правило фаз неприменимо как к метастабильным состояниям, так и к процессам, сопровождающимся изменением удельной поверхности вещества. 2


Монотропное превращение это необратимый переход метастабильной фазы в стабильное состояние. Процессы уменьшения удельной поверхности (например, спекание дисперсных порошков) необратимы. Поэтому такие процессы можно рассматривать как монотропное превращение. Кристаллизация с большой скоростью расплавов позволяет получать порошки, находящиеся в метастабильном состоянии, которые обладают повышенной активностью, приводящей к ускорению спекания [2]. В отличие от высокодисперсных порошков, высокая спекаемость которых обеспечивается большой удельной поверхностью, керамические порошки, полученные с помощью высокой скорости охлаждения, обладают повышенной спекаемостью именно благодаря метастабильному состоянию вещества. Т.е. высокая удельная поверхность влияет на спекание аналогично метастабильному состоянию вещества. Принимая во внимание все вышесказанное можно предположить, что вещество поверхности раздела фаз находится в метастабильном состоянии. Тогда для описания поверхности раздела фаз можно применить математический аппарат, используемый для описания метастабильных состояний. Метастабильные состояния характеризуются степенью пересыщения упругости пара  [3,4]. =р/рs (1) где р – давление пересыщенного пара, рs – равновесное давление пара В работе [5] рассмотрены условия перехода гетерогенной системы в метастабильное состояние. В результате несложных выкладок получено следующее соотношение: р1/р0=γ (2) Равенство (2) означает: при достижении системой состояния метастабильного равновесия степень пересыщения пара γ в конце процесса равна отношению р1/р0, характеризующему перепад давления в начале процесса. В общем случае, с давлением пара в начале процесса может быть связан любой интенсивный параметр системы. Выполнение равенства (2) возможно, например, в следующих случаях: конденсированные фазы при достижении состояния метастабильного равновесия увеличивают свою удельную поверхность; конденсированные фазы испытывают полиморфные превращения, образуя метастабильные фазы; между поверхностями конденсированных фаз образуется адгезионная связь, независимо от смачивания поверхности. Полученные теоретические закономерности подтвердились при исследовании характера смачивания поверхностей твердых тел жидкостями в условиях градиента температуры. Экспериментально установлено, что при достижении определенной пороговой величины градиента температуры жидкость начинает смачивать поверхность, которая в изотермических условиях не смачивается. 3


Для описания процесса пропитки пористых сред (дисперсные порошки или тела, обладающие разветвленной пористой структурой) жидкостями выведена формула метастабильных состояний гетерогенных систем [6]: sу  = р ln где sу – удельная поверхность дисперсного вещества,  - поверхностное натяжение жидкости. На основе описанной термодинамической модели разработан ряд технологических процессов получения металлических композиционных материалов (МКМ). В основе технологий лежит использование градиента температуры, как основной движущей силы образования поверхности раздела фаз и пропитки пористых сред. В частности, разработана технология получения МКМ с алюминиевой матрицей, упрочненной дисперсными частицами [7]. Технологический процесс основан на пропитке дисперсного порошка металлическим расплавом за счет градиента температур, возникающего при контакте расплава и порошка, имеющих разную температуру. В этом случае меняется характер смачивания: если в изотермических условиях расплав не смачивает поверхность частиц, то в условиях градиента температуры расплав смачивает частицы и как следствие пропитывает порошок. Практическое использование обнаруженного физического эффекта зависит от возможностей создания необходимого градиента температур. В связи с этим более перспективным способом создания градиентов температур является использование экзотермических реакций, протекающих локализовано в волне горения. На основе данного подхода разработан технологический процесс получения износостойких пластин из МКМ на основе стали и чугуна с упрочняющей фазой карбид титана или диборид титана. Упрочняющая фаза – диборид титана или карбид титана синтезируется в режиме горения. Пропитка синтезированного пористого тела металлом матрицы осуществляется за счет разности температур между металлическим расплавом и синтезируемой упрочняющей фазой при горении экзотермической смеси. Полученные МКМ успешно прошли испытания в производственных условиях, где подвергались интенсивному гидроабразивному износу. Для получения огнеупорных керамических композиционных материалов (ККМ) с матрицей, состоящей из сплавов на основе окиси алюминия, используются алюмотермитные реакции [8]. Подобная технология производства огнеупорных изделий из керамических композиционных материалов успешно используется в течение нескольких лет [9]. Одна из причин ограничения в широком использовании подобных огнеупоров - их низкая термостойкость. Известно, что на границе раздела матрица – армирующая фаза может происходить переориентация распространения трещины, что сопровождается увеличением площади поверхности разрушения и повышением термостойкости керамических композиционных материалов [10]. 4


Имеющиеся данные и вышеприведенные теоретические построения позволяют сделать предположение: переориентация трещины на границе раздела матрица–армирующая фаза возможна при наличии некоторого повышенного уровня межфазной энергии границы раздела фаз. Возможно, образование метастабильных состояний может повысить уровень межфазной энергии границы раздела, поскольку метастабильные состояния характеризуются избыточным уровнем свободной энергии. Экспериментально исследовали влияние факторов, отвечающих за образование метастабильных фаз Al2O3 на границе раздела матрица– армирующая фаза. Во всех случаях достигнуто значительное (до десятикратного) увеличение термостойкости ККМ [10]. Заключение Предложена модель формирования границы раздела фаз, учитывающая уровень метастабильности вещества границы раздела. Выведена формула метастабильных состояний гетерогенных систем, описывающая образование поверхности раздела фаз в условиях действия градиента интенсивных параметров. На основе полученных закономерностей разработаны технологические процессы производства металлических композиционных материалов. Экспериментально подтвержден эффект изменения характера смачивания твердого тела жидкостью в условиях действия градиента температуры. Установлено, что повышение термостойкости керамических композиционных материалов возможно при условии образования метастабильных фаз по границам раздела матрица - армирующая фаза. Литература 1. Тананаев И. В., Федоров В.Б., Калашников Е.Г. Успехи физикохимии энергонасыщенных сред //Успехи химии. - 1987. - Выпуск 2. - Том 106. - С. 193-215. 2. Крючков В.А. и др. Керамика Al2O3 – ZrO2 из порошков, полученных методом высокоскоростного затвердевания из расплава //Огнеупоры. - 1989. №6. - С. 19-22. 3. Скрипов В.П. Метастабильная жидкость. - М.: Наука. - 1972. - 312 с. 4. Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии. - М.: Химия,1982. - 400 с. 5. Рязанов С.А. Термодинамическая модель метастабильных равновесий, возникающих в гетерогенных системах при производстве алюмотермитных огнеупоров // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика. Материалы региональной 59-й научно-технической конференции. - Самара, 2002 - С. 152-154. 6. Рязанов С. А. Расчет устойчивости метастабильного равновесия коллоидных систем. Интеллектуальный продукт зарегистрирован ВНТЦ 27 июня 2000 г. № 73200000051. Идеи. Гипотезы. Решения. Информационный бюллетень Всероссийского Научно-Техническго Центра. 2000 г. №2. С. 16.

5


7. Патент № 2190682 РФ, МКИ5 7С22С1/10, Способ изготовления лигатур на основе алюминия/ Рязанов С. А. – №2001113122/02(014262); заявлено 17.05.2001; опубл. 10.10.2002, БИМП №28. 8. Рязанов С.А. Формирование структуры алюмотермитных СВСогнеупоров // Современное состояние и перспективы развития строительного материаловедения: Материалы восьмых академических чтений отделения строительных наук РААСН. - Самара: Издательство СамГАСУ. – 2004. – С.451-454. 9. Рязанов С. А., Хлыстов А. И. Классификация и области применения алюмотермитных СВС-огнеупоров // Прогрессивные технологические и инвестиционные процессы в строительстве. - М.: Издательство Российской инженерной академии. 2003. - Выпуск 4. - Часть 2 –С. 94-102. 10. Рязанов С.А. Хлыстов А. И. Термостойкость алюмотермитных СВС-огнеупоров. // Огнеупоры и техническая керамика. - 2004. - №2. - С. 3943.

6

NEW PROCESSES OF MANUFACTURING  

алюмотермия, огнеупоры, алюмотермитные огнеупоры, метастабильные состояния гетерогенных систем

Read more
Read more
Similar to
Popular now
Just for you