Исследование изменений физико-химических свойств материалов на основе системы Al-Cr O
Исследование реакции алюмотермического восстановления оксида хрома в условиях самораспространяющегося высокотемпературного синтеза при различных соотношениях реагентов. Определение в системе набора твердых растворов, анализ их физико-химических свойств.
Рубрика | Химия |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 19.01.2018 |
Размер файла | 158,3 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru
Исследование изменений физико-химических свойств материалов на основе системы Al-Cr O
А.К. Свидерский, Е.Ю. Евсеева
Аннотация
Изучены реакции алюмотермического восстановления оксида хрома в условиях самораспространяющегося высокотемпературного синтеза при различных соотношениях реагентов. Показано, что хромоалюминиевый термит горит по сложному механизму, а формирование конечного продукта происходит путем прохождения нескольких последовательных превращений.
В настоящее время актуальным является исследование и создание новых материалов, обладающих высокими эксплуатационными свойствами, и относящихся к хромсодержащим оксидным системам.
Оксид хрома Cr O является высокоогнеупорным соединением с высокой температурой плавления (от 2265 до 2320 °С), обладающим высокой химической устойчивостью. Оксид хрома практически не растворяется в кислотах и щелочах [1]. Оксид хрома является высокоогнеупорным соединением для изготовления материалов, стойких к химическим воздействиям, так как он сосуществует с оксидами и их соединениями, обладающими высокой температурой плавления [2, 3].
Благодаря высоким эксплуатационным свойствам, композиционные материалы на основе системы Al-Cr O , нашли широкое применение при изготовлении износостойких металлокерамик.
Применение технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) позволяет получить материалы определенного состава и структуры за одну технологическую операцию, минуя длительный дорогостоящий обжиг [1, 2].
Для проведения комплексного исследования изменения физико-механических свойств материалов, полученных СВС методом на основе системы Al-Cr O , использовали в качестве исходных компонентов оксид хрома (III) и порошок алюминия. Порошок алюминия использовали дисперсностью от 15 до 30 % (масс.). Формование образцов проводилось под различным давлением: 250, 640 и 1280 МПа. Скорость охлаждения после синтеза изменялась от 50 до 200 град/мин.
Для синтезированного материала определяли такие механические характеристики, как микротвердость и разрушающую нагрузку отдельных зерен. Методом разрушения абразивных зерен при одноостном сжатии определяли прочность зерен размером от 500 до 2200 мкм [4]. Испытания проводили на механической машине ИМАШ-20-75, разрушающая нагрузка фиксировалась на шкале 100 кг. Точность ее определения составляло ±0,2 кг. Микротвердость определяли на микротвердомере ПМТ-3.
Структуру синтезированного материала определяли на электронном микроскопе марки «LCD Micro Bresser» при увеличении в 63 и 320 раз. Морфологию разрушенных абразивных зерен определяли на приборе ЭМ-14 методом сухого препарирования при увеличении 8000 раз.
По полученным результатам можно сделать вывод о наличии в системе набора твердых растворов. При визуальном обследовании продуктов горения выявлено наличие двух разделенных между собой слоев. Верхний слой является оксидным, нижний - металлическим. Таким образом, синтезированный материалсостоит из двух оксидов: AI O и Cr O , которые образуют два твердых раствора (I, II) и хромового слоя [5]. В результате анализа полученных данных выявлено, что массовое содержание хрома увеличивается в металлическом слитке, и соответственно снижается в оксидном слитке с ростом температуры.
Зависимость скорости горения хромоалюминиевого термита от дисперсности алюминиевого порошка и мольного соотношения представлена на рисунках 1 и 2. Данная зависимость показывает, что влияние дисперсности алюминиевого порошка на величину скорости горения V при d <50 мкм весьма незначительно.
алюмотермический хром высокотемпературный синтез
Применяя алюминиевый порошок с размером частиц 10-15 мкм, провели анализ изменения состава полученных твердых растворов от содержания алюминия в шихте (рисунок 3). Начиная со стехиометрического состава шихты (26,5 % алюминия), состав твердых растворов обедняется Cr O вследствие чего основной фазой в продуктах реакции становится корунд.
Неравномерность кристаллизации продуктов СВС с повышением давления прессования (рисунок 4). При этом кристаллизация раствора (I) начинается раньше и протекает в более неравновесных условиях, чем раствора (II). В результате данных процессов первый раствор обогащается оксидом хрома.
Состав твердых растворов зависит не только от соотношения исходных компонентов, температуры и давления прессования, но и от скорости охлаждения. При увеличении скорости охлаждения от 50 до 200 градусов в течение одной минуты происходит изменение состава твердых растворов в сторону обеднения их оксидом хрома (III) (рисунок 3, 4 давление прессования 2,5 МПа).
Результаты исследований позволяют предположить многостадийный механизм взаимодействия компонентов в системеAl-Cr O при котором происходит восстановление хрома, а затем окисление алюминия. Предполагая, что окислительно-восстановительные реакции протекают быстрее, то именно они определяют скорость распространения волны горения, так как температурный профиль указывает на наличие в волне горения быстрых и медленных реакций догорания.
Оксид алюминия Al O является наименее устойчивым, поэтому с его участием заканчиваются стадии быстрых реакций. При этом образуется устойчивый оксид алюминия Al O . После быстрых реакций идут стадии догорания, которые имеют меньшую скорость.
Исходные образцы диаметром 2 см и высотой 4,5-5,0 мм подогревались до температуры 1000 К. Цилиндрические образцы были спрессованы под давлением 10 МПа. Шихта перед прессованием увлажнялись водой в количестве 10 %. Исходные образцы подвергались осушке в сушильном шкафу при температуре 363 К. Затем высушенные образцы помещали в печь с температурой 973 К. После выравнивания температур образцы и печи (обычно около 10 мин) инициировали горение таблеткой железоалюминиевого термита. При давлении прессования 2,5 МПа в зависимости от количества, вводимого в шихту металла, получаются 3 разновидности материала.
Материал, синтезированный из шихты с содержанием алюминия 15-17%, отличается образованием наиболее дисперсных кристаллов восстановленного хрома. Хром равномерно распределен по всему объему оксидной части образца - дисперсной смеси твердых растворов.
Материал, синтезированный при незначительном содержании алюминия, менее хрупок, чем корунд, полученный из шихты с 26,5 % алюминия. Снижение хрупкости связано с наличием в структуре металлической фазы [6].
Материал, синтезированный из шихты с содержанием алюминия 18-21 % по своей структуре относится к известным керметам [7]. Восстановленный хром также распределен по объему образца, но в отличие от предыдущих сплавов, мелкокристаллических выделений его меньше. Оксидная фаза состоит из кристалликов, которые возникают при высокоскоростной кристаллизации твердых растворов из жидкого расплава. Из этого следует, что температура в зоне кипения должна превышать 2200 °С.
Разрушенные зерна кермета при содержании алюминия в шихте 18-20 % отличаются от корундовых по форме и имеют вытянутую пластинчатую форму, кромки осколков неровные. Происходит интенсивное фазоразделение с образованием слитка восстановленного хрома. Восстановленный хром составляет нижнюю часть образца и керамической корки. Небольшая часть восстановленного хрома задерживается в объеме оксидной составляющей, отличающейся волокнисто-губчатым строением. Зерна данных сплавов близкие по составу к корундам и имеют изометрическую форму [8]. При дроблении этого сплава получается порошок с однородными по форме и размеру зернами.
Так как влияние дисперсности алюминиевого порошка на величину скорости горения V при d <50 мкм незначительно, то это говорит о кинетическом механизме взаимодействия.
Таким образом, данные экспериментов показывают, что хромоалюминиевый термит горит по сложному механизму, а формирование конечного продукта происходит путем прохождения нескольких последовательных превращений.
Список литературы
1. Рябов А.И., Примаченко В.В., Мартыненко В.В. и др. Состояние и основные задачи по созданию современных огнеупоров для металлургической промышленности // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1998. - №2. - С. 69-71.
2. Сучильников С.И., Павлов В.А., Шантарин В.Д. Термодинамические и кинетические особенности алюмотермического процесса получения технического хрома // Металлотермические процессы в химии и металлургии. - М.: Наука, - С. 189-198.
3. Мержанов А.Г. Проблемы технологического горения // Процессы горения в химической технологии и металлургии. - Черноголовка, 1975. - С. 5-28.
4. Сименков С.М. и др. Исследование химического состава микроструктуры и прочности литых дибромида хрома и легированного корунда. - Черноголовка. Препринт. 1986. - 20 с.
5. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий: справочник / Под ред. В.В. Клюева.
6. М.: Машиностроение, 1976. - 892 с.
7. Полубелова А.С. Производство абразивных материалов. - М.: Машиностроение, 1968. - 210 с. 7 Кислый П.С. Керметы. - Киев: Наукова думка, 1985. - 271 с.
8. Мержанов А.Г., Каширянинов М.Б. CВC. Состояние и перспективы. - М.: ВИТИ, 1987.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Закономерности трансформации состава, свойств бентонита в процессе модифицирования. Исследование сорбционной активности природных и модифицированных форм бентонита. Определение закономерностей модифицирования бентонита Кабардино-Балкарского месторождения.
магистерская работа [9,2 M], добавлен 30.07.2010Хемосорбционное модифицирование минералов. Свойства глинистых пород. Методика модификации бентонитовой глины месторождения "Герпегеж". Физико-химические способы исследования синтезированных соединений. Определение сорбционных характеристик бентонина.
курсовая работа [9,2 M], добавлен 27.10.2010Исследование свойств аммиака как нитрида водорода, бесцветного газа с резким запахом и изучение физико-химических основ его синтеза. Определение активности катализатора синтеза аммиака, расчет материального и теплового баланса цикла синтеза аммиака.
курсовая работа [267,4 K], добавлен 27.07.2011Получение, применение и свойства полиакрилонитрила. Расчет Ван-дер-ваальсовых объемов полимера, показатель преломления. Плотность энергии когезии и параметр растворимости Гильдебранда. Расчет физико-химических свойств замещенного полиакрилонитрила.
курсовая работа [2,4 M], добавлен 12.01.2013Понятие и назначение химических методов анализа проб, порядок их проведения и оценка эффективности. Классификация и разновидности данных методов, типы проводимых химических реакций. Прогнозирование и расчет физико-химических свойств разных материалов.
лекция [20,3 K], добавлен 08.05.2010Распространение волны твердопламенного горения в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Химический фазовый состав продуктов СВС, их вторичная технологическая переработка. Характеристика реакторов, используемых для синтеза.
реферат [39,7 K], добавлен 12.12.2011Определение свойств химических элементов и их электронных формул по положению в периодической системе. Ионно-молекулярные, окислительно-восстановительные реакции: скорость, химическое равновесие. Способы выражения концентрации и свойства растворов.
контрольная работа [58,6 K], добавлен 30.07.2012Описание физико-химических свойств окиси этилена – одного из самых реакционноспособных органических соединений, который относится к циклическим простым эфирам. Процесс синтеза оксида этилена. Выбор катализатора. Технологическая схема реакционного узла.
контрольная работа [19,7 K], добавлен 13.12.2011Модификация природных цеолитов нерастворимыми комплексами и органическими соединениями. Реакции ионного обмена на цеолитах. Определение статической обменной емкости сильнокислого катионита, сорбционной способности ионов при различной кислотности.
курсовая работа [123,4 K], добавлен 15.10.2012Химические превращения компонентов древесины в условиях сульфатной варки. Показатели качества технических целлюлоз. Определение равномерности отбелки целлюлозы и способа варки. Химические и физико-химические анализы. Идентификация целлюлозных волокон.
курсовая работа [391,8 K], добавлен 16.05.2011Изучение физических и химических свойств метана, этана и циклопропана. Использование в быту и промышленности хранилища газообразных и жидких углеводородов. Определение массы бесцветного газа, находящегося в подземном резервуаре геометрической формы.
контрольная работа [100,4 K], добавлен 29.06.2014Описание свойств хитозана, воздействие на макромолекулу различных химических реагентов. Виды химических реакций в которые она вступает: гидролиз, окисление. Способы получения эфиров, привитых сополимеров хитозана, взаимодействие с его основаниями.
курсовая работа [36,8 K], добавлен 13.12.2010История создания и анализ физико-химических свойств бутилкаучука - важного материала, который используется для изготовления различных резиновых и других материалов в автомобильной, химической промышленности. Технология получения бутилкаучука в суспензии.
реферат [51,9 K], добавлен 21.10.2010Рассмотрение задач построения фазовой диаграммы системы "перхлорат лития-вода" и определения зависимости плотности и вязкости этой системы от концентраций компонентов. Практические навыки работы с жидкостным криостатом и капиллярным вискозиметром.
отчет по практике [322,4 K], добавлен 17.05.2016Изучение химических и физических свойств оксидов свинца, их применение, способы синтеза. Нахождение самого рационального способа получения оксида свинца, являющегося одним из наиболее востребованных соединений, используемых в повседневной жизни.
реферат [27,5 K], добавлен 30.05.2016Определение влияния температуры, времени и массовой доли шунгита в смеси на цвет и физико-химические свойства синтезированных пигментов. Исследование защитно-декоративных свойств пигментированных лакокрасочных покрытий на основе синтезированных пигментов.
дипломная работа [4,2 M], добавлен 25.02.2013Канифоль: химический состав и свойства различных ее видов. Получение и исследование физико-химических свойств синтезированных образцов солей. Оптимизация процесса получения амидо-аммониевой соли малеопимаровой кислоты на основе малеинизированной канифоли.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 19.11.2010Знакомство с основными особенностями влияния предварительной механической активации на процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Общая характеристика распространенных методов механической активации, рассмотрение сфер использования.
презентация [837,6 K], добавлен 29.02.2016Общая характеристика элементов подгруппы меди. Основные химические реакции меди и ее соединений. Изучение свойств серебра и золота. Рассмотрение особенностей подгруппы цинка. Получение цинка из руд. Исследование химических свойств цинка и ртути.
презентация [565,3 K], добавлен 19.11.2015Кинетические методы анализа. Методы измерения скорости реакции. Термодинамический вывод диаграммы состояния. Термодинамический вывод диаграммы состояния системы с простой эвтектикой.
курсовая работа [53,2 K], добавлен 04.01.2004