Получение композиционного материала карбид титана - белый чугун методом плавки Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 621.19

С. В. Шишкина, Ю.Г. Гуревич

Курганский государственный университет

ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА КАРБИД ТИТАНА - БЕЛЫЙ ЧУГУН МЕТОДОМ ПЛАВКИ

Аннотация

Сделан термодинамический расчет, который показал, что в системе Fe-Ti-C существование карбида титана маловероятно. Получено экспериментальное подтверждение этого явления.

Ключевые слова: белый чугун, карбид титана, раствор, термодинамика, энергия Гиббса.

S.V. Shishkina, Y.G. Gurevich Kurgan State University

RECEIVING OF THE COMPOSITE MATERIAL TITANIUM CARBIDE - WHITE CAST IRON BY MELTING METHOD

Annotation

Thermodynamic calculation has been made. It has shown that in Fe-Ti-C system there is titanium carbide is improbable. Experimental confirmation of this phenomenon has been received.

Keywords: White cast iron, titanium carbide, solution, thermodynamics, Gibbs energy.

Введение

Как было установлено термодинамическим расчетом [1]: карбид титана плохо растворяется в жидком чугуне. Проверим экспериментально данный теоретический расчет.

1. Термодинамический анализ системы Fe-Ti-C

В целях определения термодинамической возможности взаимодействия карбида титана с жидким чугуном проведен термодинамический анализ системы [Fe-Ti-C^ -[Ti] - Fe3CT при 1500 К.

В данной системе рассматривали следующие равновесия:

1) двухфазное - раствор [Fe-Ti-C^ -TiC;

2) трехфазное - раствор [Fe-Ti-C^-TiC-Fe3CT. Параметры равновесий рассчитывали с учетом реакции:

[С]ж+[т]ж=тю, (1)

энергия Гиббса которой равна: AG.,=-186507+13,2Т (Дж/моль). (2)

Параметры трехфазного взаимодействия рас-считы-вали с учетом (1), (2) и (3):

[С]ж -н 3[Fe]^Fe3CT; (3)

Д G3 = 10345-10104Т (Дж/моль). (4)

Энергию Гиббса для (5) определяли вычитанием энергий Гиббса двух реакций (3) и (1). В соответствии с источниками [2,3] имеем:

ТС+3[Ре]ж=[Т]ж+Ре3Ст. (5)

Таким образом, получили:

д G5 = д G3 - д G1 = 196852 - 23.235Т (Дж/моль) (6) Результаты расчета приведены в табл. 1 и на диаграмме (рис.1).

Таблица 1

Энергии Гиббса при различных температурах

т, к 300 500 750 1000 1250

AGi -182547 -179907 -176607 -173307 -170007

AGs 189881,5 185234,5 179425,8 173617 167808,25

Рассчитанные значения дС1 и дС5 позволили сделать вывод о том, что в системе [Ре-Т-С]ж- ТС- Ре3С выделение чистого карбида Ре3С в присутствии титана маловероятно, так как величина д С5, в отличие от д С^ положительна в исследуемом интервале температур. Этот факт хорошо согласуется с экспериментальными данными. После спекания прессовок из карбидочугуна ТС - серый чугун карбид титана не отбеливал серый чугун, в его структуре наблюдались включения графита.

Рис. 1. Энергия Гj66ca реакций (1) и (3)

2.Экспериментальная проверка вероятности растворений карбида титана в жидком чугуне

Теоретический расчет был проверен экспериментально.

Порошки карбида титана (2%) и серого чугуна перемешивали в течение 12 часов в смесителе типа «пьяная бочка». Полученную смесь помещали на дно тигля высотой 100мм, диаметром 30мм. После этого в тигель засыпали стружку чугуна и помещали в печь с угольным нагревателем (рис. 2). Регулирование температуры в печи производится плавно при помощи тиристорного регулятора напряжения, который включен в первичную обмотку силового трансформатора. Такое включение позволяет получить на выходных шинах трансформатора ток в несколько тысяч ампер при нагрузке сети до 150 А. В качестве нагревателя применяется угольная труба с наружным диаметром 96-98мм, толщиной стенок до 10мм и длиной 500мм. Температуру измеряли вольфрам-ренневой термопарой ВР-5/20, спай которой контактировал с опытными образцами. Точность измерений температуры ±10 К.

Смесь нагревали до температуры 1500 К в течение 15 минут. Полученный расплав охлаждали на воздухе. В результате эксперимента было установлено, что весь карбид титана всплыл на поверхность и в чугуне не растворился (рис.3).

СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 7

57

УДК 541.182

Рис.2. Электропечь сопротивления: 1. Корпус; 2. Водоохлаждаемый кожух; 3. Нижняя крышка; 4. Верхняя крышка; 5. Защитный экран; 6. Нагреватель; 7. Контейнер для спекания; 8. Защитная среда 85% А1203 + 15% С; 9. Прессовка; 10. Подставка

Рис. 3. Образец после испытания

Выводы

1.Теоретически и экспериментально показано, что традиционными методами карбидочугун выплавить невозможно.

2. Для выплавления карбидочугуна требуются специальные методы плавки.

Список литературы

1. Шишкина C.B., Чудинова Е.А., Суханов П.А. Взаимодействие карбида

титана с железо-углеродистым расплавом.// Сборник научных трудов аспирантов и соискателей Курганского Государственного Университета. - Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2011. -Вып. XIII-С. 31-32.

2. Арзамасов Б.Н., Некрасов B.C., Пименов Л.А. Термодинамическое и

экспериментальное обоснование химизма диффузионного хромирования в порошковых средах с использованием йодистого аммония// Известия вузов: машиностроение, 1974. -№3. - С. 127-131.

3. Kubaschewski О., Heymer G. The termodinamiks of the chronium- iron

system//Acta motel.1960. - v.8. - №7. - P. 416-423.

Ю.Г. Гуревич, C.B. Шишкина, В.Е. Овсянников, ЕЛ. Чудинова

Курганский государственный университет

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА СЕДИМЕНТАЦИИ ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТИЦ ПОРОШКА КАРБИДА ТИТАНА ПО РАЗМЕРАМ

Аннотация

Разработана методика построения кривой распределения частиц карбидотитана по размерам на основе металлографического и седиментационного анализа.

Ключевые слова: порошок, карбид титана, распределение по размерам, металлографический анализ, се-диментационный анализ.

Y.G. Gurevich, S.V. Shishkina, V. Е. Ovsiannikov, ЕЛ. Chudinova Kurgan State University

APPLICATION OF THE SEDIMENTATION METHOD FOR DISTRIBUTION OF TITANIUM CARBIDE POWDER PARTICLES ACCORDING THEIR SIZES

Annotation

The technique of creation of the titanium carbide particles distribution curve according their sizes on the basis of the metallographic and sedimentation analysis is developed.

Key words: powder, titanium carbide, distribution according their sizes, metallographic analysis, sedimentation analysis.

Введение

Карбидочугун состава карбид титана - белый чугун является износостойким композиционным материалом, абразивный износ которого соизмерим с износом твердых сплавов на основе карбида вольфрама. Известные способы получения карбидочугунов методами порошковой металлургии спеканием компонентов или пропиткой жидким чугуном карбидного каркаса не позволяют получить его без пористости [1]. Пористость твердого сплава мешает его применению в качестве инструментального материала. Поэтому получение беспористого карбидочугуна является актуальным для применения сравнительно дешевого инструментального материала.

Беспористый карбидочугун может быть получен методом сплавления его с карбидом титана. Для определения содержания карбида титана в чугуне необходимо знать распределение частиц карбида титана в порошке по размерам.

1. Методика проведения исследований

Методика получения карбидочугуна плавлением смеси порошков (частиц) чугуна и карбида титана не получила распространения потому, что частицы карбидов титана, плотность которых 4,9 г/см3 [2], будучи легче жидкого чугуна, плотность которого 6,9 г/см3, всплывают на поверхность расплава (рис. 1).

Для исследования возможности вводить карбид титана со дна тигля, быстро охлаждать слиток так, чтобы зафиксировать в нем карбиды и определять содержание карбидов титана в слитке, необходимо знать распределе-

58

ВЕСТНИК КГУ. 2012. № 2 (24)