6)электролизрасплавов соответствующих солей.
Промышленное применение имеют первые три способа.Получение литых карбидов основано на сплавлении металлов с углеродом возможно только в электрической или высокочастотной печи, так как температуры образования и плавления карбидов тугоплавких металлов лежат в пределах 2500—4000° С. Это вызывает определенные технические трудности, поэтому способ получения литых карбидов имеет ограниченное применение.
Получение карбидов науглероживанием порошков металлов или окислов металлов твердым углеродом имеет наибольшее распространение и используется для промышленного приготовления карбидов вольфрама, титана, молибдена, тантала, ванадия и других карбидов, применяемых в производстве твердых сплавов.
В качестве исходного сырья при этом способе используют порошки чистых металлов или их окислов. Углерод вводят в смесь в виде тонкого порошка сахарного угля или сажи. Смесь металла (или окисла) с углеродом тщательно перемешивают в шаровых мельницах всухую или мокрым способом. При смешивании металла с твердым углеродом дают от 5 до 10% избытка углерода, так как в металлических порошках имеется остаточный кислород, а также для компенсации частичного выгорания углерода в печи.
При использовании смесей окислов металла с углеродом учитывают науглероживающее действие образующейся окиси углерода и применяемого защитного газа. Обычно для реакции достаточно 80—90%-ного количества углерода, которое соответствует уравнению
Науглероживание проводят в одну или несколько стадий в электрических или реже в газовых печах. Кроме муфельных печей непрерывного действия, применяют угольные трубчатые печи сопротивления, методические печи с молибденовыми нагревателями и вертикальные трехфазные криптоловые печи, а также высокочастотные печи периодического действия с графитовыми тиглями.
В качестве защитного газа используют водород, окись углерода, метан и смеси этих газов. При получении карбидов вольфрама и молибдена в качестве защитного газа можно использовать генераторный газ или диссоциированный аммиак.
Температура реакции науглероживания металлов с твердым углеродом в зависимости от вида карбидов лежит в пределах 1200—2200°С. В табл. 10 приведены температуры реакций получения наиболее важных карбидов из металлов или окислов при науглероживании твердым углеродом в присутствии углеводорода.
Карбиды молибдена, вольфрама и тантала лучше всего получать науглероживанием металлических порошков сажистым углеродом при температуре 1200—1600°С.
Вольфрам образует два стойких при комнатной температуре карбида: W2C и WC. При науглероживании в твердом состоянии образуется преимущественно монокарбид вольфрама WC, при науглероживании исключительно монокарбид вольфрама.Металлокерамические твердые сплавы содержат Карбид титана готовят из смеси возможно более чистой двуокиси титана с газовой сажей при температуре1700—2100°С.
Получение карбидов науглероживанием металловили окислов углеродсодержащими газами. Выше было показано, что при карбидизации в твердом состоянии науглероживание частично происходит и через газовую фазу. В связи с этим возможно получение карбидов науглероживанием исключительно через газовую фазу. Для этого обычно используют металл и углеводород, в результате реакции получают карбид металла и водород. Газовая карбидизация металлов происходит при более высокой температуре[5].
Науглероживание окислов углеродсодержащими газами проводится редко.
Карбид вольфрама - активно применяется в технике для изготовления инструментов, требующих высокой твёрдости и коррозионной стойкости, а также для износостойкой наплавки деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания с умеренными ударными нагрузками. Этот материал находит применение в изготовлении различных резцов, абразивных дисков, свёрл, фрез, долот для бурения и другого режущего инструмента.
Активно применяется в наплавке в виде порошкового материала для создания износостойких покрытий. Один из основных материалов, использующихся для замены гальванического высокоскоростного газопламенного напыления.
Карбид титана -данное соединение используется в качестве компонента при изготовлении жаропрочных, жаростойких и твердых безвольфрамовых сплавов, износостойких покрытий, абразивных материалов. Твердосплавные системы с карбидом титана применяются для производства следующих изделий: инструменты для обработки металлов резанием; детали прокатных станков; жаростойкие тигли, детали термопар; футеровка печей; детали реактивных двигателей; неплавящиеся сварочные электроды; элементы оборудования, предназначенного для перекачки агрессивных материалов; абразивные пасты для полировки и доводки поверхностей.
Карбид бора - применяется для изготовления шлифовальных и абразивных материалов, химической посуды, защитных пластин для бронежилетов, в электронике и ядерной промышленности. Карбид бора, обогащённый изотопом 10B, используют как поглотитель нейтронов. Также широкое применение нашло при изготовлении сопел пескоструйных машин. Изделия из карбида бора получают методом горячего прессования при температуре 2000-2450°C и давлении 20-35 МПа[6].
1.5 Анализ обзора литературы и постановка цели исследования
В первой главе проведен обзор литературы в области технологический процесс получениякарбида вольфрама с углеродными компонентами методом механохимическогосинтеза. Дано описание конструкционных материалов, приведена их классификация. Рассмотрены тугоплавкие материалы и их классификация. Рассмотрены методы получения карбидов и области их применения.
Карбиды – группа стойких химических соединений, образуемых металлами в связке с углеродом. Наиболее значимыми в практическом отношении технологическими качествами карбидов считаются высокие показатели их прочности, термостойкости, химической инертности.
Анализ литературных данных показываетчто, для получения карбидов приемлемы только три способа: в литом виде,науглероживание порошков металловтвердым углеродом,науглероживание порошков металлов газами, содержащими углерод.
Получение литых карбидов основано на сплавлении металлов с углеродом возможно только в электрической или высокочастотной печи, так как температуры образования и плавления карбидов тугоплавких металлов лежат в пределах 2500—4000° С. Это вызывает определенные технические трудности, поэтому способ получения литых карбидов имеет ограниченное применение.
Цель работы – изучение процесса получения карбида вольфрама с углеродными компонентами методом механохимического синтеза. Анализ свойств и область применения тугоплавких материалов.
Цель может быть достигнута решением следующих задач:
- разработка технологии
- изучение технологического процесса
- подбор оборудования
- контроль свойств
-
разработка мероприятий по охране труда.
2.ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ КАРБИДА ВОЛЬФРАМА С УГЛЕРОДНЫМИ КОМПОНЕНТАМИ
В настоящее время карбид вольфрама служит основой для формирования конструкционной керамики, инструментальных материалов, композитных систем, антикоррозионных и износостойких покрытий. Это обусловлено тем, что карбид вольфрама обладает уникальными физико-химическими свойствами: высокая твердость, температура плавления, износоустойчивость, теплопроводность, устойчивость к окислению, хорошая сопротивляемость термическому удару.
Карбид вольфрама образован наиболее тугоплавким металлом — вольфрамом и наиболее тугоплавким неметаллом — углеродом, и это выделяет его среди других металлоподобных карбидов.
Традиционным способом получения карбида вольфрама является твердофазная реакция. Ее отличают простота осуществления, возможность проведения в отсутствие растворителей. При термической активации скорость твердофазной реакции низкая, так как определяется скоростью диффузионных процессов.
Применение механической активации существенно ускоряет химическое взаимодействие между твердыми реагентами. В большей степени это относится к высокотемпературному механохимическому синтезу, когда твердофазная реакция протекает во время механической обработки, и к синтезу различных соединений, основанному на механическом стимулировании теплового взрыва.
Последние десятилетия механохимическим синтезом создан широкий ряд химических соединений, однако механизм образования карбидов при синтезе в режиме механически стимулированного теплового взрыва остается малоизученным. Недостаточно подробно исследовано влияние внешних факторов на инициирование механохимических реакций, не определены лимитирующие факторы образования WC. Поиск эффективных и недорогих углеродных модификаций со специфическим комплексом характеристик и свойств, от которых зависит химический состав синтезируемого соединения, также представляет несомненный интерес для синтеза тугоплавких соединений.
В качестве примера получения карбида вольфрама, можно использовать эксперимент, проведённый В.П. Ревой и Д.В. Онищенко.
2.1 Подготовка и характеристика исходных компонентов
Применялся оксид вольфрама марки ХЧ, магний чистотой 99.95 %, а в качестве углеродсодержащего материала — сажа марки ПМ-15, природный графит зольностью не более 1 % со степенью ароматичностиfa= 60,2, а также активированный уголь медицинского назначения.
Сажу ПМ-15 предварительно просушивали при температуре 150°C в течение 3 ч, активированный уголь используется в состоянии поставки. Степень ароматичности активированного угля составляла от 58,9 до 63,5.
Исходным материалом для получения углеродных модификаций служит возобновляемое растительное сырье: отходы сельскохозяйственных культур — шелуха овса и пшеницы; мох бурый. Были синтезированы углеродные модификации с аморфной, аморфно-кристаллической и кристаллической структурой при температурах пиролиза 950°C, 1150°C, 1300°C и 1500°C. Удельная поверхность этих модификаций углерода составляла Sуд=140 ? 220 м2/г.
Активацию исходных компонентов и механохимический синтез WC осуществляли в герметичном контейнере энергонапряженнойвибромельницы, работающей при частоте колебаний 750 мин–1 и амплитуде 90 мм.
В качестве размалывающих тел применялись шары из стали ШХ15 диаметром 14 мм. Интенсивность измельчения составляла 1 : 15. Фазовый состав синтезированных модификаций углерода и образцов WC определяли методом рентгенофазового анализа на дифрактометре D8 ADVANCE. Идентификацию соединений, входящих в состав исследуемых образцов, выполняли в автоматическом режиме поиска EVA с использованием банка порошковых данных PDF-2. Распределение частиц по размеру, гранулометрический состав устанавливали с помощью лазерного анализатора частиц «Анализетте 22». Морфологию углеродсодержащего сырья и порошка карбида вольфрама исследовали с применением инвертированного металлографического микроскопа МТ 8530 фирмы «MeijiTechno», оснащенного программой Thixomet PRO. Фрагментарный состав модификаций углерода оценивали с помощью ЯМР-спектрометра Mercury 300 plus фирмы «Varian», а их структуру поверхности, форму и размер частиц — с использованием электронно-сканирующего микроскопа EVO-50XVP фирмы «CarlZeiss». Содержания серы и углерода в модификациях углерода и порошках карбида вольфрама определяли с помощью анализатора серы и углерода CS 600 фирмы «LECO». Отгонку спирта проводили с помощью универсального дистиллятора К-355 «BUCHI Labortechnik AG» по стандартной методике в течение 35 мин. В качестве пластификатора при холодном прессовании использовался синтетический каучук, растворенный в бензине АИ-95, в количестве 3 мас.%. Высушенные смеси измельчались в планетарной шаровой мельнице РМ-400 фарфоровыми шарами диаметром 16 мм в течение 140 мин и просеивались через сито с размером ячейки 0,25 мм. Прессование штабиков размером 8?8?4 мм выполнялось на прессе ЕРМ-500 GA (КНР) в стальной пресс-форме при давлении 1,3 т/см2 . Для спекания твердосплавной композиции ВК8 применяли высокотемпературную вакуумную печь Nabertherm VHT 100/22-MO. Плотность (?, г/см3 ) исследуемых образцов определяли методом гидростатического взвешивания на лабораторных весах AXIS AG 100. Твердость (HV) сплавов оценивали по длине диагонали отпечатка при вдавливании алмазной пирамиды на приборе ТК-2М.
2.2.1 Принцип устройства вибрационных мельниц
Вибрационная мельница состоит из рабочей камеры цилиндрической формы на 80% заполненной мелющими телами в виде высокопрочных шаров небольшого диаметра (10 -20 мм). Камера приводится в движение дебаланснымвалом, который придает камере и находящимся в ней шарам вибрационное движение. В рабочей камере мельницы объемом 400 литров находится около 70 000 шаров, при частоте вращения дебалансного вала 1500 об/мин эти шары совершают около 100 000 000 подскоков и падений в минуту. Огромное количество мелких воздействий на материал позволяет получать максимально тонкий помол без использования сепараторов. Массовое ударное воздействие устраняет явление агрегации мелких частиц в конгломераты, которое неустранимо в других типах мельниц. Схема вибрационной мельницы представлена рисунке 2.1.