авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Экспериментальное исследование структуры и свойств твердых растворов силицидов молибдена и вольфрама и их применение

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ГНЕСИН Иван Борисович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ СИЛИЦИДОВ МОЛИБДЕНА И ВОЛЬФРАМА И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Специальность 05.02.01 Материаловедение (металлургия)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

ЧЕРНОГОЛОВКА 2009

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институт физики твердого тела РАН.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Карпов М. И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Левашов Е. А.

доктор технических наук, профессор

Крапошин В. С.

Ведущая организация: Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения Российской академии наук

Защита состоится «19» марта 2009 года в 1500 на заседании диссертационного совета Д212.132.03 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Государственный технологический университет «Московский институт стали и сплавов»” по адресу: 119049, Москва, Ленинский проспект, д 4, ауд. 607.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Государственный технологический университет «Московский институт стали и сплавов».

Автореферат разослан « » __________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор физико-математических наук, профессор

Муковский Я.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность исследования. С развитием научно-технического прогресса перед человечеством остро встал вопрос защиты различных материалов от воздействия высоких температур в окислительной среде. Кроме того, материалы, устойчивые к абразивному износу, имеющие высокие показатели твердости и прочности всегда представляли большой интерес с точки зрения применения в промышленности и других областях.

В последние годы, с развитием авиационной и космической отрасли, металлургии, промышленного оборудования, машиностроения потребность в таких материалах постоянно возрастает. Современные разработки в этих областях выдвигают все более жесткие требования к материалам, обусловленные необходимостью поднять на новый уровень характеристики изготавливаемых изделий и оборудования.

Силициды тугоплавких металлов известны своей способностью сопротивляться окислению при нагреве на воздухе вплоть до температур свыше 1500 С. Композиционные материалы, получаемые с использованием силицидов тугоплавких металлов и карбида кремния известны уже несколько десятилетий. Однако, подавляющее число всех предшествовавших попыток продвижения вперед были связаны только с одним из многих существующих силицидов тугоплавких металлов - с дисилицидом молибдена MoSi2. Он известен именно тем, что до температур 1500-1800 °С материалы на его основе очень хорошо противостоят газовой коррозии в окислительных средах. Но при более высоких температурах другие силициды оказываются не менее, а иногда и более устойчивыми к окислению. Кроме того, введение в состав силицидов (Mo,W)5Si3, (Mo,W)Si2 и (Mo,W)5Si3C, наряду с молибденом, более тугоплавкого вольфрама позволяет управлять такими важными для практических приложений свойствами как: коэффициент термического расширения, особенности сопротивления коррозии при различных температурах, механические свойства и т.д. В частности, в результате использования в силицидах наряду с молибденом и вольфрама, композиционный материал, содержащий такие силициды и карбид кремния, лучше переносит циклы нагрев – охлаждение, имея более высокую стойкость к термоударам.



В исследуемых в рамках данной работы сплавах используется не только дисилицид молибдена, а целый набор силицидов, включающий в себя наряду с описанными в литературе силицидами MoSi2; Mo5Si3; Mo5Si3C; WSi2; W5Si3 также и твердые растворы силицидов (Mo,W)5Si3C; (Mo,W)Si2 и (Mo,W)5Si3.

Использование силицидов в различных композиционных материалах на основе карбида кремния и углерода позволяет варьировать физические свойства в широких пределах. Кроме того, сплавы систем Mo-W-Si и Mo-W-Si-C используются в технике как жаропрочные и жаростойкие покрытия на тугоплавких металлах, углеродных и карбидокремниевых материалах, а также как высокотемпературный припой для соединения указанных материалов в любых сочетаниях [1-3].

Благодаря этим уникальным свойствам, в последние годы растет практический интерес к использованию силицидов молибдена и вольфрама именно в виде твердых растворов (Mo,W)5Si3C; (Mo,W)Si2; (Mo,W)5Si3 в различных устройствах, работающих при высоких температурах в окислительных средах. При этом широко используются технологические варианты, связанные с плавлением вышеперечисленных силицидов и их смесей. Из-за сохранения недавно разработанными силицидными композиционными материалами с большой объемной долей карбида кремния [2, 4] высокой абразивной способности и износостойкости, стойкости к газовой коррозии на воздухе до относительно высоких температур (1600 °C), их можно использовать для создания шлифовального инструмента, пресс-оснастки и в других устройствах.

В монографии [5] отмечается, что электроискровым легированием с помощью твердосплавного электрода поверхности удавалось добиться упрочнение лопаток ротора Воронежской ТЭЦ приводящего к увеличению срока их службы в два раза. При упрочнении фрез, резцов, сверел стойкость инструмента также значительно возрастает. Кроме того, обработка дисковых пил и режущих звеньев сельхоз машин, гибочных штампов, упрочнение чугунных направляющих металлорежущих станков также позволяют повысить стойкость изделий и инструмента в несколько раз. В работе [6] установлено, что введение нанодисперсного компонента в электродный материал увеличивает толщину, сплошность и микротвердость электроискровых покрытий по сравнению с покрытием из электрода, не содержащего нанодобавки. Возможности применения новых силицидных электродов остаются практически не изученными.

Для применения получаемых изделий из новых композиционных материалов важными являются особенности фазового и химического состава находящихся в них силицидов, а также механические свойства силицидов. Данное исследование посвящено изучению именно этих особенностей в отношении силицидов системы Mo-W-Si для области двойных силицидных эвтектик соответствующей составу применяемых силицидов. Понимание роли примеси углерода в таких силицидах важно не только для нанесения защитных покрытий на углеродные материалы, для создания композиционных материалов содержащих углерод, но и для технологических процессов, в которых для плавления силицидов используют высокотемпературные печи с графитными деталями. Характер зависимости величины твердости силицидного сплава при комнатной температуре от состава важно знать для применения их в качестве покрытий, компонентов абразивного инструмента и оснастки.

Цель работы. Целью данного исследования было экспериментальное изучение структуры и свойств силицидных сплавов, фигуративные точки которых принадлежат линейному приближению линии двойных эвтектик MoSi2-Mo5Si3 - WSi2-W5Si3 в системе W-Mo-Si, полученных путем переплавления порошков силицидов. Целью данного исследования было также выявление закономерностей формирования структуры и свойств покрытий, полученных путем электроискрового легирования поверхности стали и чугуна с использованием силицидных электродов.

Научная новизна основных результатов и положений. Данная работа является единственным известным нам развитием исследования систем W-Mo-Si и W-Mo-Si-C, начатым в работе [1].

В литературе, в том числе в патентной, практически отсутствуют сведения о свойствах и структуре твердых растворов силицидов вольфрама и молибдена. По сравнению с работой [1], данное исследование отличается существенно более мелким шагом изменения относительных концентраций молибдена и вольфрама в изучаемых сплавах: количество исследованных составов выросло почти в четыре раза. Кроме того, впервые проведен систематический анализ данных о фазовом составе исследованных образцов, текстуре и кристаллической структуре. В рамках данной работы впервые синтезированы и исследованы серии сплавов силицидов, специально, по условиям получения, различающихся содержанием примеси углерода, проведено сравнение структуры и свойств образцов с различным содержанием углерода. Для сравнения уровня углеродного загрязнения плавленых силицидов, полученных по различным технологическим вариантам, впервые применен метод масс-спектрометрии вторичных ионов. До проведения данного исследования вопрос об образовании твердых растворов на основе пар силицидных фаз Mo5Si3-(Mо,W)5Si3-W5Si3 и MоSi2-(Mо,W)Si2-WSi2 не был детально исследован для всего доступного интервала соотношений концентраций вольфрама и молибдена (0-100%). Не было известно, при всех ли относительных концентрациях происходит изоморфное замещение вольфрама и молибдена, или происходят иные изменения фазового состава образующихся силицидов. В данной работе показано, что не существует оснований предполагать, что в структуре исследуемых сплавов при каких-либо соотношениях атомных концентраций вольфрама и молибдена имеется дисперсная смесь силицидов вольфрама и молибдена, а не твердых растворов на их основе.

Впервые произведена оценка роли примеси углерода при формировании структуры и свойств исследуемых силицидных сплавов. Это крайне важно с практической точки зрения, т.к. во многих технологических процессах получения исходных силицидов, композиционных материалов на их основе, возможно существенное загрязнение углеродом из различной оснастки и из атмосферы печей.

В рамках данной работы впервые произведено исследование покрытий, пригодных для различных практических применений (для абразивного и режущего инструмента, различной пресс-оснастки, в том числе и для работы при высоких температурах) получаемых путем электроискрового легирования поверхности с помощью силицидных электродов. До проведения данного исследования практически не было систематических и детальных данных о структуре таких покрытий, об особенностях их фазового и химического состава, неоднородности, о пористости.

Научная и практическая ценность. Данные, полученные в рамках исследования фазового равновесия и структурообразования в сплавах силицидов вольфрама и молибдена, могут быть использованы для выбора конкретных составов силицидов, тех или иных технологических вариантов получения сплавов силицидов, необходимых для решения задач получения изделий с требуемым уровнем свойств, как при работе с запатентованными материалами с силицидами вольфрама и молибдена [2, 4, 7], так и при разработке новых материалов. Исследование влияния загрязнения углеродом на свойства и структуру сплавов позволяет более точно подбирать технологические приемы получения материала и/или изделия для каждой конкретной задачи.

При исследовании покрытий, получаемых с помощью электроискрового легирования поверхности сталей и чугуна, установлен ряд закономерностей, представляющих большой практический интерес с точки зрения выбора материала электрода и понимания механизмов процессов переноса вещества, позволяющих лучше понять механизм взаимодействия материалов электрода и металла-основы, на который с помощью силицидного электрода наносится покрытие. Данные о фазовом составе электроискровых покрытий показали, что основные упрочняющие фазы при электроискровом легировании с помощью электродов из сплавов силицидов вольфрама и молибдена существенно отличаются от фаз, присутствующих в электроде.

Практическую значимость работы в целом подтверждает интерес, проявленный к материалам и покрытиям, исследуемым в ее рамках. Такой интерес проявляют как крупные российские компании, такие как «Норильский никель», «Русский алюминий», ряд государственных предприятий; так и некоторые крупные зарубежные компании: General Electric, Saint–Gobain. Это говорит о высоком интересе во всем мире к выбранным объектам исследования.





Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах «Физическое материаловедение» Института физики твердого тела РАН, а также на девяти российских и международных научных конференциях.

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 3 статьях в реферируемых научных журналах и в 9 тезисах докладов на российских и международных конференциях.

Личный вклад автора. Все включенные в диссертацию экспериментальные данные получены, а расчеты произведены лично автором или при его непосредственном участии. Автор принимал участие в обработке, анализе и обсуждении результатов, изложенных в работе, а также в подготовке публикаций в печать.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, перечня основных результатов и выводов. Диссертация изложена на 139 страницах, содержит список литературы из 60 наименований, 48 рисунков и 19 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, обсуждена практическая значимость и научная новизна диссертации, сформулированы цели работы.

В первой главе дается обзор экспериментальных и теоретических литературных данных, посвященных тематике диссертации. Представлены данные о кристаллической структуре и свойствах силицидов вольфрама и молибдена. Рассмотрены характерные особенности кинетики и механизмов окисления различных силицидов вольфрама и молибдена при различных температурах, отмечены характерные температурные интервалы наибольшей жаростойкости для разных типов силицидов. Изложены результаты работ, посвященных общим вопросам изучения многокомпонентных систем, а также работ, в которых освящены общие вопросы кристаллизации эвтектических сплавов, работ, в которых предприняты попытки классифицировать эвтектические структуры по таким признакам как морфологические особенности микроструктуры эвтектических колоний, скорость охлаждения, механизмы роста колоний. Проанализированы работы, в которых изучались многокомпонентные системы, содержащие вольфрам, молибден и кремний. В частности, работы в которых обсуждалось влияние кристаллической структуры и особенностей химического состава на жаростойкость и механические свойства силицидов вольфрама и молибдена. Представлены данные о жаростойкости и механических свойствах покрытий, полученных с использованием как силицидных, так и иных материалов. Проанализированы возможный эффект от нанесения покрытий на изделия и механизмы, связанный с повышением эксплуатационных характеристик и повышением сроков службы. Рассмотрены работы, в которых сообщается о повышении характеристик покрытия, полученного методом электроискрового легирования поверхности, после введения нанодисперсного компонента в электродный материал. Глава заканчивается обоснованием постановки направлений и задач исследований, выполнявшихся в диссертационной работе.

Вторая глава содержит описание методов исследования, использованных в работе, а также описание особенностей выбора определенных объектов исследования и обоснование необходимости этого выбора. Объектом исследования в рамках данной работы являлись образцы сплавов силицидов с различным соотношением атомных концентраций вольфрама и молибдена, полученные плавлением исходных порошков в различных условиях, соответствующих реальным технологическим процессам. Помимо этого объектами исследования также являлись образцы покрытий на сталях и чугуне, полученные с помощью силицидных электродов методом электроискрового легирования поверхности.

Для оценки влияния примеси углерода, сплавы силицидов по условиям получения различались содержанием углерода. Одна серия образцов была получена в условиях, способствующих загрязнению образцов углеродом: использовалась углеродная оснастка высокотемпературных печей, в которых были синтезированы и затем переплавлены силициды, а также графитовые тигли, в которых непосредственно и происходил переплав порошка силицида для получения литого образца. Другая серия образцов была получена в условиях практически исключающих загрязнения углеродом: использование молибденовой оснастки высокотемпературных печей в процессе получения образцов силицидов, а также переплав образцов во взвешенном в магнитном поле состоянии. В работе и здесь далее эти две серии образцов условно обозначены как «углеродная» и «чистая» серии.

Покрытия, образцы которых были исследованы в рамках данной работы, были получены методом электроискрового легирования поверхности стали и чугуна с помощью силицидных и твердосплавных электродов. Нанесение покрытий осуществлял В.Я. Поддубняк, сотрудник Акустического института, которому автор выражает свою благодарность.

Образцы сплавов силицидов, а также образцы покрытий, полученных методом электроискрового легирования, исследовались рентгеновскими методами на усовершенствованном в ИФТТ РАН дифрактометре ДРОН-3. Применялись как общепринятые методики рентгенофазового анализа, так и специально разработанная методика рентгенофазового анализа текстурированных образцов. Для изучения химического состава образцов, а также для изучения их микроструктуры применялся сканирующий электронный микроскоп-микроанализатор CamScan MV2300. Исследования микроструктуры методами световой микроскопии также имели место в рамках данной работы. Изучение распределений значений микротвердости образцов сплавов силицидов в зависимости от атомной концентрации вольфрама и молибдена было проведено с помощью микротвердометра ПМТ-3.

Все измерения и эксперименты, результаты которых представлены в данной работе были осуществлены в Институте физики твердого тела РАН автором работы, либо при его непосредственном участии.

Третья глава содержит результаты исследования двух серий образцов сплавов силицидов вольфрама и молибдена, по условиям получения различающихся содержанием углерода.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.