CC BY
2
INFLUENCE OF ACTIVATOR TYPE AND TECHNOLOGICAL FACTORS ON THE STRUCTURE OF BORED LAYERS ON SP50S2 POWDER STEEL
A study was carried out of the influence of activators that were used during diffusion boriding on the structure and properties of SP50S2 powder steel. In this work, metallographic and X-ray spectral studies of the structure of the resulting borated layer on SP50S2 powder steel were carried out, and the mechanical properties of sintered SP50S2 powder steel were determined after diffusion boriding with the introduction of various activators into the powder filling. It has been established that carrying out the diffusion boriding process at a temperature of 1200 °C and a holding time of 120-180 minutes using fluoride activators NaF or KF makes it possible to obtain a diffusion layer with a thickness of400-600 microns on SP50S2 powder steel.
Key words: powder steel, diffusion boriding, activator, structure, layer thickness.
УДК 666.775-798.2
ВЛИЯНИЕ ДОБАВКИ СИЛИКАГЕЛЯ НА СТРУКТУРУ ОКСИДА ЦИНКА, ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ РАСТВОРНОГО СВС Кривинчук Андрей Валерьевич, студент (e-mail: [email protected]) Кондратьева Людмила Александровна, д.т.н., профессор (e-mail: [email protected]) Самарский государственный технический университет,
г.Самара, Россия Кривинчук А.В., студент (e-mail: [email protected])
Представлены результаты исследований продукта, полученного методом растворного СВС. Описано влияние добавки силикагеля в шихте на характеристики синтезированного продукта (морфологию и размер частиц).
Ключевые слова: растворный СВС, оксид цинка, оксид кремния, силика-гель.
Целью работы являлось исследование влияния добавки SiO2 (сикагель) на характеристики синтезируемого СВС-продукта - оксида цинка.
Существуют различные методы получения оксида цинка [1-5]. В данной работе получение оксида цинка осуществлялось методом растворного СВС, который заключался в том, что самораспростряющийся высокотемпературный синтез [6-12] происходит в смеси водного раствора нитрата металла (окислителя) и топлива, где реакционная жидкость контактирует с
кислородом воздуха, а реакционная смесь нагревается внешним источником тепла [13-16].
Для достижения цели данной работы, необходимо было провести эксперименты по изучению влияния условий приготовления исходных реакционных растворов на возможность получения методом растворного СВС нано- и микроразмерного порошка [17-20] оксида цинка 7и0 в системе «нитрат цинка - глицин» с добавлением БЮ2 в качестве прекурсора.
Исходными компонентами системы были выбраны:
1. Окислитель. В качестве окислителя в реакции растворного СВС применяют водорастворимые нитраты металлов, которые выступают источниками атомов металлов для оксидов в продуктах синтеза. В исследованиях в качестве окислителей был использован нитрат цинка - 7и(К03)2 ■ 6Н20.
2. Горючее. В качестве горючего (восстановителя) применяется большое количество различных органических соединений: тартрат аммония, аспа-рагин, ацетат аммония, цитрат аммония, аланин, метилцеллюлоза, серин, лимонная кислота, глицин, мочевина, моноэтаноламин. Данные соединения применяются как по отдельности, так и в различных сочетаниях между собой. Многие из этих соединений являются высокотоксичными и дорогими. Наиболее недорогими, популярными и нетоксичными являются мочевина, лимонная кислота и глицин. В исследованиях в качестве горючего был использован глицин - СПНПКОП.
3. Растворитель. В качестве растворителей применяется большое количество органических и неорганических соединений: дистиллированная вода, бензин, керосин, этанол, метанол, формальдегид, фурфуриловый спирт, 2-метоксиэтанол. Наиболее дешевым и безопасным является дистиллированная вода - Н20, поэтому в исследованиях она и была выбрана в качестве растворителя.
4. Прекурсор. Прекурсором является вещество, участвующее в реакции и приводящей к образованию целевого вещества. Они также применятся для изменения конечных свойств продукта и для изменения реакции получения. В исследованиях в качестве прекурсора был использован диоксид кремния - БЮ2, а именно силикагель [21].
В экпериментах был использован состав, в котором компоненты нитрата цинка и глицина брались в одинаковом соотношении (ф = 1), изменялось только соотношение количества БЮ2 к исходной смеси (таблица 1):
- система №1: соотношение смеси нитрата цинка - глицин и БЮ2 было подобрано так, что молярные массы были 1:1;
- система №2: соотношение смеси нитрат цинка - глицин и БЮ2 было подобрано так, что молярные массы были 1:2;
- система №3. соотношение смеси нитрата цинка - глицин и БЮ2 было подобрано так, что молярные массы были 2:1.
24 СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ, №6 (51), 2023 Таблица 1 - Количество исходных компонентов при различном
соотношении компонентов в экспериментальных системах
Соотношение Количество
нитрат цинка-глицин и БЮг (силикагель) дистиллированной воды, мл Масса 7п(Ш3)2, г Масса С2Н5Ш2, г Масса ЗЮ2, г
1:1 25 6,39 1,79 0,60
1:2 25 3,20 0,90 0,60
2:1 25 12,78 3,59 0,60
Характер горения исходных систем во всех экспериментах представлял собой реактивное тление с выбросом продукта из реакционной чаши, в результате чего был синтезирован продукт в виде нано- и микроразмерного порошка бежевого цвета.
145.60 пт
20Н (I
224.72 „т^
20 кУ Х20,000 1цт
158.11 пт 220.23 пт
20кУ Х20,000 1мт
339.41 I
262.49 пт
274.59 пт
Ш №
20кУ Х20,000 1мт> %
в)
Рисунок 1 - Микроструктура конечного продукта, синтезированного растворным СВС в системе «нитрат цинка - глицин + БЮ2» при соотношении исходных компонентов: а) 1:1; б) 1:2; в) 2:1
На рисунке 1а синтезированный продукт представляет собой пенообразную массу, в которой в виде включений видны микронные частицы оксида кремния. Анализ пенообразной структуры на больших увеличениях пока-
зал, что в структуре пенообразной массы сложно идентифицировать отдельные частицы, вследствие аморфного строения пенообразной составляющей. Визуально наблюдаемый размер отдельных частиц находится в интервале 150-250 нм.
На рисунке 1б синтезированный продукт представляет собой ультрадисперсные округлые частицы порошка, собранные в субмикронные агломераты. Границы отдельных частиц идентифицировать трудно, вследствие наличия аморфной пенообразной составляющей. Визуально наблюдаемый размер отдельных частиц находится в интервале 150-300 нм.
На рисунке 1в видно, что синтезированный продукт представляет собой пенообразную массу, в которой визуально сложно идентифицировать отдельные частицы. У наблюдаемых на больших увеличениях отдельных частиц сложно идентифицировать границы, вследствие наличия аморфной фазы в синтезированных продуктах. Визуально наблюдаемый размер отдельных частиц находится в интервале 150-300 нм.
Результаты элементного состава синтезированного продукта, полученного рентгеноспектральным микроанализом в 3 точках, представлены в таблице 2.
(Мот
в)
Рисунок 2 - Микроструктура конечного продукта, с проставленными на ней маркерами для определения химического состава в их точке, при соотношении исходных компонентов: а) 1:1; б) 1:2; в) 2:1
Таблица 2 - Массовое содержание химических элементов _в продукте синтеза_
Химический Массовое содержание химических элементов
элемент в конечном продукте, %
система №1 при соотношении исходных компонентов 1:1
Номер маркера 004 005 006
C 2,91 10,72 1,92
O 26,08 8,90 17,15
Si 56,79 0,97 47,53
Zn 14,21 79,41 33,40
система №2 при соотношении исходных компонентов 1:2
Номер маркера 007 008 009
C 2,33 3,18 1,37
O 11,51 19,95 7,05
Si 11,02 63,21 0,29
Zn 75,14 13,65 91,29
система №3 при соотношении исходных компонентов 2:1
Номер маркера 001 002 003
C 46,38 50,29 29,16
O 15,82 16,21 13,18
Zn 37,80 33,50 57,66
Таким образом, в результате проведенных экспериментальных исследований было установлено, что конечный продукт представляет собой агломераты состоящие из ZnO размером от 150 до 300 нм, а также отдельных частиц SiO2.
Список литературы
1. Varma A., Mukasyan A.S., Rogachev A.S., Manukyan K.V. Solution combustion synthesis of nanoscale / Frontier Materials & Technologies. 2023. no.2. P. 29.
2. Hwang C.-C., Wu T.-Yu. Synthesis and characterization of nanocrystalline ZnO powders by a novel combustion synthesis method / Materials Science and Engineering B, 2004. Vol. 111, no.2-3. Р. 197-206.
3. Riahi-Noori N., Sarraf-Mamoory R., Alizadeh P., Mehdikhani A. Synthesis of ZnO nano powder by a gel combustion method / Journal of Ceramic Processing Research, 2008. Vol. 9, no. 3. P. 246-249.
4. Zak A.K., Abrishami M.E., Majid W.H.A., Yousefi R., Hosseini S.M. Effects of annealing temperature on some structural and optical properties of ZnO nanoparticles prepared by a modified sol-gel combustion method / Ceramics International, 2011. Vol. 37, no. 1. P. 393-398.
5. Khaliullin S.M., Zhuravlev V.D., Ermakova L.V., Buldakova L.Y., Yanchenko M.Y., Porotnikova N.M. Solution combustion synthesis of ZnO us-
ing binary fuel (glycine + citric acid) / International Journal of SelfPropagating High-Temperature Synthesis, 2019. Vol. 28, no. 4. P. 226-232.
6. Мержанов, А. Г. Твердопламенное горение: Монография. Черноголовка: ИСМАН, 2000. - 240 с.
7. Мержанов А.Г. Процессы горения и синтез материалов. - Черноголовка: ИСМАН, 1998. - 512 с.
8. Рогачев А.С. Мукасьян А.С. Горение для синтеза материалов. -М.: Физматлит, 2012. - 400 с.
9. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез: Состояние и перспективы: Обзор составлен на основе отчетов из фондов ВНТИЦентра и публикаций за 1971-1986 гг. / Мержанов, А.Г., Каширенинов, О.Е. -Инв.№ 02880004530. - М.: ВНТИЦ, 1987. - вып. 20. - 115 с.
10. Merzhanov A.G. and Borovinskaya I. P. Historical retrospective of SHS An autoreview / International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis 2008, 17. Р. 242-265.
11. Амосов А.П. Основы материаловедения и технологии новых материалов: учеб. пособие / А.П. Амосов. - Самара: Самар. гос. ун-т, 2016. -203 с.
12. Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов: Учеб. пособ. / Под научной редакцией В.Н. Анциферова. - М.: Машиностроение-!, 2007. - 567 с.
13. Новиков В. А., Титов А. А., Крюков Н.А., Качкин Е.М. Режимы горения геля нитрата цинка с различными горючими при синтезе нанопорошка оксида цинка / Современные материалы, техника и технологии, №2 (41), 2022. С. 17-39.
14. Amosov A.P., Novikov V.A., Kachkin E.M., Kryukov N.A., Titov A.A., Sosnin I.M. The formation of highly dispersed zinc oxide powder during combustion of zinc nitrate with glycine mixture and its application for photocatalytic phenol decomposition / Frontier Materials & Technologies. 2023. № 2. Р. 9-30.
15. Amosov A.P., Novikov V.A., Kachkin E.M. et al. The formation of highly dispersed zinc oxide powder during combustion of zinc materials. / Chemical Reviews, 2016. Vol. 116, № 23. Р. 14493-14586.
16. Amosov A.P., Novikov V.A., Kachkin E.M., Kryukov N.A., Titov A.A., Sosnin I.M., Merson D.L. The solution combustion synthesis of ZnO powder for the photodegradation of phenol / Ceramics, 2022. Vol. 5, no. 4, pp. 928-946.
17. Aruna S.T., Mukasyan A.S. Combustion Synthesis and Nanomaterials / Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 2008. Vol. 12. P. 44-50.
18. Столин, А.М., Бажин П.М. Получение твердосплавных материалов с субмикронной и наноразмерной структурой / Перспективные материалы, Специальный выпуск - 2008. - С. 106-112.
19. Merzhanov A.G., Borovinskaya I.P., Sytchev A.E. SHS of nano-powders. In: Baumard J.F. Lessons in nanotechnology from traditional materials to advanced ceramics / Dijon, France: Techna Group Srl. 2005. P. 1-27.
20. Mukasyan A.S., Dinka P. Apparatus and methods for combustion synthesis of nano-powders. WO2007019332-A1. 2006.
21. Неймарк И. Е. Силикагель, его получение, свойства и применение. -Киев. 1973. 200 с.
Andrey Valerievich Krivinchuk, student
(e-mail: [email protected])
Samara state technical university, Samara, Russia
Kondratieva Lyudmila Aleksandrovna, doctor of technical science, professor
(e-mail: [email protected])
Samara state technical university, Samara, Russia
THE EFFECT OF THE SILICA GEL ADDITIVE ON THE STRUCTURE OF ZINC OXIDE OBTAINED BY THE SOLUTION SHS METHOD
Abstract. The results of studies of the product obtained by the solution SHS method are presented. The effect of the silica gel additive in the charge on the characteristics of the synthesized product (morphology and particle size) is described.
Keywords: solute SHS, zinc oxide, silicon oxide, silica gel.
