DyukovaKDx

УДК 661.65
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНОАКТИВАЦИИ ШИХТЫ И
ТЕМПЕРАТУРЫ КАРБИДОБОРНОЙ РЕАКЦИИ НА ПОЛУЧЕНИЕ ПОРОШКА
ДИБОРИДА ХРОМА
Дюкова К.Д.,
Научный руководитель канд. тех. наук Крутский Ю.Л.
Новосибирский государственный технический университет
Диборид хрома (CrB2) – тугоплавкое соединение, среди боридов переходных
металлов является самым пластичным, стойким против теплового удара и
износостойким. Эти свойства диборида хрома в сочетании с его высокой стойкостью
против окисления и воздействия агрессивных сред делают его перспективным
материалом в составе жаропрочных композиционных материалов, работающих в
условиях больших нагрузок и высоких температур [1]. Кроме того диборид хрома
применяют в составе износостойких защитных покрытий [2].
В данной работе было проведено изучение влияния параметров приготовления
шихты и параметров карбидоборной реакции на получение однофазного порошка
диборида хрома.
В рамках данной работы был использован сравнительно простой метод
восстановления оксида хрома карбидом бора в присутствии углерода. Данный метод
позволять получать высокочистый (без примесей свободного углерода)
высокодисперсный порошок диборида храма в одну стадию. Реакция протекает
согласно уравнению:
Cr2O3 + B4C + 2C = 2CrB2 + 3CO
(1)
Исходная шихта смешивалась по стехиометрии из порошков оксида хрома,
карбида бора и нановолокнистого углерода (НВУ). НВУ был получен каталитическим
разложением метана на никельсодержащих катализаторах при температуре 550°С [3].
Порошок карбида бора также был синтезирован с использованием НВУ [4].
Температура начала восстановления по расчетам изобарно-изотермического
потенциала составляет примерно 930°С. Реальная температура процесса была выбрана
несколько выше, с целью сократить продолжительность термической выдержки.
Синтез проводился в индукционной печи тигельного типа в среде аргона.
Для изучения влияния параметров подготовки шихты и карбидоборной реакции
на процесс синтеза диборида хрома был использован метод направленного
планирования эксперимента (полуреплика 23). В качестве варьируемых параметров
были выбраны продолжительность механической обработки шихты в шаровой
планетарной мельнице (Х1), ускорение шаров (Х2) и температура синтеза (Х3). В
качестве параметров оптимизации выбраны: количество образующихся фаз боридов
хрома (y1) и изменение массы шихты в процессе синтеза (y2).
Таблица 1 – Матрица планирования и результаты опытов при синтезе диборида хрома
№
Факторы
Параметры оптимизации
опыта
Х1
Х2
Х3
у1
у2
1
5
–
10
–
1700
+
1
36,95
2
10
+
20
+
1700
+
2
37,82
3
5
–
20
+
1500
–
4
27,91
4
10
+
10
–
1500
–
3
14,92
Полученные образцы диборида были изучены комплексом физико-химических
методов.
Полученные уравнения регрессии имеют вид:
у1 = 2,5 + 0,5Х1х2 – 1Х3
(2)
у2 = 29,4 – 3,03Х1 + 3,47Х2 + 7,99Х3
(3)
Рисунок 1 – Дифрактограммы образцов диборида хрома
Результаты экспериментов показали, что механическая обработка исходной
шихты практически не влияет на полноту прохождения реакции, в то же время
увеличение значения ускорения приводит к формированию большего числа побочных
боридных фаз. При этом увеличение продолжительности механоактивации увеличивает
полноту прохождения реакции.
Из полученных данных (уравнений регрессии) можно заключить, что основной
фактор, который влияет на полноту протекания реакции и количество формирующихся
фаз является температура синтеза. Однофазный продукт получается при температуре
синтеза не ниже 1700°С (образцы 1 и 2).
Было установлено, что использование механоактивации шихты совместно с
последующей высокотемпературной выдержкой позволяет получать чистый
(однофазный) порошок диборида хрома с использованием нановолокнистого углерода
в одну стадию. Размеры частиц образующегося порошка около 10 мкм, размер
агрегатов не более 20 мкм
Список литературы:
1. Алексеев А.Г., Бовкун Г.А., Болгар А.С. Свойства, получение и применение
тугоплавких соединений справ/ А.Г. Алексеев, Г.А. Бовкун, А.С. Болгар; под ред Т.Я.
Косолаповой. – М.: Металлругия, 1986. – 928 с.
2. Серебрякова Т.И., Неронов В.А., Пешев П.Д. Высокотемпературные бориды
М.: Металлургия. 1991.– 368 с.
3. Соловьёв Е.А. Получение водорода и нановолокнистого углерода селективным
каталитическим пиролизом легких углеводородов: дис. …канд.тех.наук / Е.А.
Соловьёв; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева.Москва, 2008. – 133 с.
4. Синтез высокодисперсного карбида бора из нановолокнистого углерода / Ю. Л.
Крутский, А. Г. Баннов, В.В. Соколов, К. Д. Дюкова, В. В. Шинкарев, А.В. Ухина, Е.А.
Максимовский, А.Ю. Пичугин, Е. А. Соловьев, Т.М. Крутская, Г. Г. Кувшинов //
Российские нанотехнологии. - 2013. – Т. 8, № 3. – С. 43–48.
Работа была выполнена в рамках проекта № 10.1151.2014/К, выполняемого в
рамках проектной части государственного задания по теме "Разработка методов
темплатного синтеза функциональных наноматериалов с контролируемой
микроструктурой".