CC BY
7
ISSN 1560-3644 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИМ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2021. № 4
ISSN 1560-3644 UNIVERSITY NEWS. NORTH-CAUCASIAN REGION. TECHNICAL SCIENCE. 2021. No 4
Научная статья
УДК 669.183.28:629.7.023.224 doi: 10.17213/1560-3644-2021-4-83-86
ЖАРОСТОЙКИЕ НАНОПОКРЫТИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАРТЕНОВСКИХ ШЛАКОВ
Е.А. Лазарева, А.М. Кондюрин, Г.Ю. Лазарева, Т.Е. Ксантиниди, В.И. Антюшина, С.С. Тигишвили, Н.Н. Железняк
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия
Аннотация. Исследована возможность использования мартеновского шлака в качестве основного шихтового компонента для синтеза стекломатриц. Установлены физико-химические особенности кристаллизации стёкол. Представлены результаты рентгенографических исследований мартеновского шлака и стёкол на его основе. Показано, что в качестве основных кристаллических фаз образуется геленит и твёрдые растворы группы мелилита. Исследованием дилатометрических характеристик стёкол с различным содержанием ионов железа установлено, что их кристаллизация существенно повышает ТКЛР и температуру начала размягчения. На основании комплекса физико-химических исследований, установлен оптимальный состав жаростойкого однослойного нанопокрытия, содержащего 27,0 % мартеновского шлака.
Ключевые слова: нанопокрытия, шлак, шихта, стекломатрица, рентгенографические исследования, дилатометрические исследования, кристаллизационная способность, физико-химические свойства, фазовый состав
Для цитирования: Лазарева Е.А., Кондюрин А.М., Лазарева Г.Ю., Ксантиниди Т.Е., Антюшина В.И., Тигишвили С.С., Железняк Н.Н. Жаростойкие нанопокрытия с использованием мартеновских шлаков // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2021. №4. С. 83 - 86. http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2021-4-83-86
Original article
HEAT-RESISTANT NANOCOATING USING OPEN-HEARTH SLAGS
E.A. Lazareva, A.M. Kondyurin, G. Yu. Lazareva, T.E. Xantinidi, V.I. Antyushina, S.S. Tigishvili, N.N. Zheleznyak
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Abstract. The possibility of using open-hearth slag as the main charge component for the synthesis of glass matrices is investigated. The physicochemical features of glass crystallization have been established. The results of radiographic studies of open-hearth slag and glasses based on it are presented. It is shown that gelenite and solid solutions of the melilite group are formed as the main crystalline phases. The study of dilatometric characteristics of glasses with different iron ion content has established that their crystallization significantly increases the TCLR and the temperature of the beginning of softening. Based on a complex of physico-chemical studies, the optimal composition of a heat-resistant single-layer nanocoating containing 27,0 % open-hearth slag has been established.
Keywords: nanocoating, slag, charge, glass matrix, X-ray studies, dilatometric studies, crystallization ability, physico-chemical properties, phase composition
For citation: Lazareva E.A., Kondyurin A.M., Lazareva G.Yu., Xantinidi T.E., Antyushina V.I., Tigishvili S.S., Zheleznyak N.N. (2021) Heat-resistant nanocoating using open-hearth slags. University News. North-Caucasian Region. Technical Sciences. 2021, no. 4, рр. 83 - 86. http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2021-4-83-86
В настоящее время в отечественной и зарубежной практиках наметилась стабильная тенденция расширения области применения и развития производства жаростойких покрытий, в том числе наноструктурированных [1 - 4]. Это связано с их уникальными свойствами, термоме-
ханической прочностью и химической стойкостью, а также с непрерывно растущими требованиями к металлоизделиям [5 - 8].
В данной работе представлены материалы синтеза жаростойких нанопокрытий для защиты нихромовых сплавов от высокотемпературной
© Лазарева Е.А., Кондюрин А.М., Лазарева Г.Ю., Ксантиниди Т.Е., Антюшина В.И., Тигишвили С.С., Железняк Н.Н., 2021
ISSN 1560-3644 UNIVERSITY NEWS. NORTH-CAUCASIAN REGION.
TECHNICAL SCIENCE.
2021. No 4
газовой коррозии на основе стекломатрицы системы Na2O - К2О - CaO - MgO - AhOз -Fe2Oз - &О2 - MnO2 при температуре плавления шихт 1250...1300 оС с использованием мартеновского шлака в качестве одного из сырьевых материалов. Мартеновский шлак имеет непостоянный химический состав, однако его изменения не превышают 2 - 5 % по каждому компоненту. Оксидные компоненты, вводимые шлаком в состав экспериментальных, приведены в табл. 1. Минералогический состав мартеновского шлака представлен твёрдыми растворами группы мелилита Ca2(Al, Mg, Fe, Si,) Si2O7 и магнетитом (FeзO4) (0,254, 0,162, 0,148 нм). На рис. 1 отражена рентгенограмма мартеновского шлака.
0,287
0,254
0,148 0,143
0,162 0,185
П 931
0,309
20
Рис. 1. Рентгенограмма мартеновского шлака: □ - твёрдые растворы; о - гематит / Fig. 1. Radiograph of open-hearth slag: □ - solid solutions; o - hematite
Для изучения возможности использования шлака в качестве сырьевого материала его вводили в модельные составы стекольных шихт № 1, 2, 3. Расчёт необходимого количества шлака приведён в табл. 1.
В связи с тем что шлак содержит повышенное количество оксидов магния и марганца (17,3 и 7,7 % соответственно), которые существенно влияют на стеклообразование и кристаллизационную способность, расчёт количества
шлака, вводимого в стекольные шихты, вёлся по этим оксидам [9]. После варки шлаковые стёкла имели тёмно-коричневый цвет и были без газовых пузырей и инородных включений.
Кристаллизационную способность стёкол исследовали методом дифференциального термического анализа (ДТА). Как видно на рис. 2, эндотермические эффекты при нагреве шлаковых стёкол наблюдаются при температурах 690...720 оС, а экзоэффекты - при 870...900 оС. Эти данные практически полностью совпадают с определёнными температурами эндо- и экзоэф-фектов экспериментальных стёкол. Кроме того, интенсивность максимумов шлаковых стёкол с увеличением содержания оксида железа также увеличивается, что свидетельствует о повышении степени закристаллизованности стёкол. Следовательно, введение шлака в составы стекло-матриц не изменяет кристаллизационную способность стёкол.
Рентгенографические исследования шла-косодержащих стёкол (рис. 3), термообработан-ных при 715...890 оС, показали, что фазовый состав стеклокристаллических материалов представлен геленитом и твёрдыми растворами группы мелилита [9, 10]. Наблюдаются лишь незначительные смещения межплоскостных расстояний между пиками и следы двухкальциевого силиката 2CaO • SiO2 (0,348, 0,235 нм). Небольшие смещения межплоскостных расстояний между максимумами, по нашему мнению, можно объяснить нахождением в твёрдых растворах микродобавок различных примесных элементов, находящихся в шлаке. Интенсивность дифракционных максимумов шлаковых стеклокристалли-ческих материалов так же, как и экспериментальных стёкол, с увеличением содержания оксида железа повышается.
Таблица 1 / Table 1
Расчёт количества шлака, необходимого для составления шихт стёкол / Calculation of the amount of slag required for the preparation of glass charges
№ стекла Наименование материалов, массовое содержание, % Количество шлака,
SiO2 AkO3 CaCO3 MgO Na2CO3 K2CO3 Fe2O3 MnO2 % по массе.
Компоненты, вводимые реактивными материалами
1-1 33,3 18,0 13,7 - 12,0 7,9 1,4 - -
1-2 32,7 17,4 13,5 - 11,6 7,8 4,8 - -
1-3 31,6 17,0 13,8 - 11,2 7,5 7,7 - -
Компоненты, вводимые шлаком
SiO2 AkO3 CaO MgO Na2O K2O Fe2O3 MnO2
1-1 5,9 1,9 10,2 5,2 - - 4,7 2,3 30,0
1-2 5,7 1,8 9,8 5,0 - - 4,2 2,2 28,7
1-3 5,3 1,7 9,2 4,7 - - 4,0 2,1 27,0
ISSN 1560-3644 UNIVERSITY NEWS. NORTH-CAUCASIAN REGION.
900
Рис. 2. Термограммы шлаковых стёкол: 1 - 30 % шлака;
2 - 28,7 %; 3 - 27,0 % / Fig. 2. Thermograms of slag glasses: 1 - 30 % of slag; 2 - 28,7 %; 3 - 27,0 %
Это также подтверждает незначительность влияния шлака на кристаллизационную способность и фазовый состав стекломатриц по сравнению с экспериментальными стёклами.
Для исследования возможности использования шлакосодержащих стёкол в качестве основы жаростойких покрытий были определены их дилатометрические характеристики.
Значения температур начала размягчения, ТКЛР и плавкости исходных и термообработан-ных стёкол приведены в табл. 2.
Анализ данных табл. 2 показывает, что дилатометрические характеристики шлакосодер-жащих стёкол, как исходных, так и после термообработки, близки дилатометрическим характеристикам экспериментальных стёкол, отклонения находятся в пределах ошибки эксперимента.
0,287
Рис. 3. Рентгенограммы шлакосодержащих стёкол: 1 - 30 % шлака; 2 - 28,7 %; 3 - 27 %; х - геленит; А - мелилитопо-добные твёрдые растворы; • - двухкальциевый силикат Fig.3. Radiographs of slag-containing glasses: 1 - 30 % of slag; 2 - 28,7 %; 3 - 27%; x - gelenite; А - melilite-like solid solutions; • - bicalcium silicate
TECHNICAL SCIENCE. 2021. No 4
Таблица 2 / Table 2 Температура начала размягчения, ТКЛР и плавкость шлакосодержащих стёкол / The temperature of the beginning of softening, TCLЕ and fusibility of slag-containing glasses
№ стекла Температура начала размягчения стёкол, оС а10-7 К-1, стёкол Плавкость при постепенном нагреве стёкол
Исходных После термообработки Исходных После термообработки
1 655 682 112 127 1180
2 610 705 116 135 1220
3 590 700 111 135 1250
Таким образом, синтезированные шлако-содержащие стекломатрицы по своим дилатометрическим свойствам пригодны в качестве основы жаростойких нанопокрытий.
На основе проведённых исследований кристаллизационной способности, дилатометрических характеристик шлакосодержащих стёкол можно заключить, что мартеновский шлак в силикатных расплавах и в стёклах ведёт себя так же, как и другие технические сырьевые материалы.
Выводы
По химическому составу шихт, образующих стекло, и на основе данных дилатометрических исследований стёкол предложена стекломат-рица для синтеза жаростойких нанопокрытий.
Изучена возможность использования мартеновского шлака в качестве основного шихтового компонента для синтеза стекломатриц. Установлено, что введение 30,0; 28,7 и 27,0 % шлака в состав стекломатриц не изменяет их физико-химических свойств.
На основе проведённых исследований установлен оптимальный состав стекломатрицы жаростойких нанопокрытий на основе стекла № 3, содержащего 27,0 % мартеновского шлака.
Список источников
1. Солнцев С.С. Защитные покрытия металлов при нагреве: Справочное пособие: 2-е изд., доп. М.: Книжный дом «Либроком». 2009. 248 с.
2. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // Авиационные материалы и технологии. 2012. № 5. С. 7 - 17.
3. Солнцев С.С., Розененкова В.А., Миронова Н.А. Высокотемпературные стеклокерамические покрытия и композиционные материалы // Авиационные материалы и технологии. 2012 № 5. С. 359 - 368.
4. Лазарева Е.А. Исследования в области синтеза стеклокри-сталлических покрытий для защиты металлов и сплавов от высокотемпературной газовой коррозии // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2019. № 2. С. 103 - 107.
ISSN 1560-3644 UNIVERSITY NEWS. NORTH-CAUCASIAN REGION. TECHNICAL SCIENCE. 2021. No 4
5. Лазарева Е.А. Критерии выбора стекломатриц жаростойких ситалловых покрытий для изделий из нихромовых сплавов // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2018. № 3. С. 140 - 146.
6. Минько Н.И., Лазарева Е.А. Защита изделий из нихромовых сплавов от высокотемпературной коррозии (обзор) // Стекло и керамика. 2018. № 6. С. 19 - 23.
7. Минько Н.И., Лазарева Е.А. Опытно-промышленная апробация жаростойкого ситаллового покрытия для высокотемпературной антикоррозионной защиты нихромовых сплавов // Стекло и керамика. 2019. № 11. С. 29 - 34.
8. Минько Н.И., Лазарева Е.А. Теоретические и технологические основы формирования ситаллового покрытия и его композиции с нихромовым сплавом // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2020. № 4. С. 72 - 78.
9. Кондюрин А.М. Жаростойкие стеклокристаллические покрытия для защиты нихромовых сплавов от газовой коррозии: автореф. дис. ... канд. техн. наук. СПб., 1994. 17 с.
10. Жабрев В.А., Зубехин А.П., Кондюрин А.М. Кристаллизация стёкол системы SЮ2-AkOз-MnO2-Fe2Oз-MgO-CaO-Ыа20-К20// Физика и химия стекла.1993. Т. 20, № 6. С. 817 - 822.
References
1. Solntsev S.S. (2009) Protective coatings of metals during heating: Reference manual. Ed. 2nd, add. Moscow, Book house «Libro-com». 2009. 248 p. (In Russian).
2. Kablov E.N. (2012) Strategic directions of development of materials and technologies of their processing for the period up to 2030. Aviation materials and technologies, 2012, no. pp. 7-17. (In Russian).
3. Solntsev S.S., Rozenenkova V.A., Mironova N.A. (2012) High-temperature glass-ceramic coatings and composite materials. Aviation materials and technologies, 2012, no. 5, pp. 359-368. (In Russian).
4. Lazareva E.A. (2019) Research in the field of synthesis of glass-crystal coatings for the protection of metals and alloys from high-temperature gas corrosion. University News. The North-Caucasian region. Technical Science, 2019, no. 2, pp. 103-107. (In Russian).
5. Lazareva E.A. (2018) Criteria for choosing a glass matrix of heat-resistant citall coatings for products made of nichrome alloys. University News. The North-Caucasian region. Technical Sciences, 2018, no. 3, pp. 140-146. (In Russian).
6. Minko N.I., Lazareva E.A. (2018) Protection of products made of nichrome alloys from high-temperature corrosion (review). Glass and ceramics, 2018, no. 6, pp. 19-23. (In Russian).
7. Minko N.I., Lazareva E.A. (2019) Pilot testing of heat-resistant citall coating for high-temperature corrosion protection of nichrome alloys. Glass and ceramics, 2019, no. 11, pp. 29-34. (In Russian).
8. Minko N.I., Lazareva E.A. (2020) Theoretical and technological foundations of the formation of a citall coating and its composition with a nichrome alloy. University News. The North-Caucasian region. Technical Sciences, 2020, no. 4, pp. 72-78. (In Russian).
9. Kondyurin A.M. (1994) Heat-resistant glass-crystal coatings for the protection of nichrome alloys from gas corrosion. Autoref. dis. Candidate of Technical Sciences. St. Petersburg, 1994. 17 p. (In Russian).
10. Zhabrev V.A., Zubekhin A.P., Kondyurin A.M. (1993) Crystallization of glasses of the SiO2-AkO3-MnO2-Fe2O3-MgO-CAO-Na2O-K2O system. Physics and Chemistry of glass, 1993, vol.20, no. 6, pp. 817-822. (In Russian).
Сведения об авторах
Елена Александровна Лазареван - канд. техн. наук, зав. кафедрой «Дизайн», lazarewa_urgtu@mail.ru
Александр Михайлович Кондюрин - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Дизайн»
Галина Юрьевна Лазарева - ассистент, кафедра «Дизайн», lazareva.galina.yu@yandex.ru
Татьяна Евгеньевна Ксантиниди - доцент, кафедра «Дизайн»
Влада Игоревна Антюшина- магистрант, anticorart@gmail.com
Сергей Сергеевич Тигишвили - магистрант, tigiss@mail.ru
Нина Николаевна Железняк - магистрант, 42870@mail.ru
Information about the authors
Elena A. Lazareva - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department «Design», lazarewa_urgtu@mail.ru
AlexanderM. Kondyurin - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department «Design».
Galina Yu. Lazareva - Assistant, Department «Design», lazareva.galina.yu@yandex.ru
Tatiyana E. Xantinidi - Associate Professor, Department «Design».
Vlada I. Antyushina - Master's Student, anticorart@gmail.com
Sergey S. Tigishvili - Master's Student, tigiss@mail.ru
Nina N. Zheleznyak - Master's Student, 42870@mail.ru
Статья поступила в редакцию/the article was submitted 28.10.2021; одобрена после рецензирования /approved after reviewing 09.11.2021; принята к публикации / ac-ceptedfor publication 12.11.2021.
