Помощь студентам в учебе
Технологические принципы формирования физико-механических свойств пористых проницаемых металлокерамических СВС-материалов на основе порошков окалины легированной стали и минералов
|
Введение 5
Глава 1 Основные физико-технические принципы изготовления пористых проницаемых металлокерамических материалов методом СВС, используемых для очистки отработавших газов ДВС 13
1.1 Пористые проницаемые материалы (ППММ), используемые для
фильтрации газовых сред 13
1.2 СВС технологии для получения ППММ 19
1.2.1 Классические модели волны твердопламенного горения 19
1.2.2 СВС - способ получения пористых материалов 21
1.3 Пористый проницаемый СВС-материал 22
1.4 Механические нагрузки при фильтрации отработавших газов дизелей
пористыми проницаемыми металлокерамическими материалами 25
1.5 Заключение по главе 1 29
Глава 2 Подготовка порошков и шихты для получения 1111ММ методом СВС.
Методика и аппаратура экспериментальных исследований вибростойких пористых проницаемых СВС-материалов 32
2.1 Подготовка компонентов шихты и изготовление пористого проницаемого
металлокерамического материала 32
2.1.1 Получение порошков из металлов и неметаллов 32
2.1.2 Определение дисперсности порошков 33
2.1.3 Дисперсность порошков и их характеристики 33
2.1.4 Гранулометрический состав порошков шихты 38
2.1.5 Подготовка шихты 39
2.1.6 Инициирование реакции СВС 39
2.2 Исследование свойств полученных 1111ММ 44
2.2.1 Микроструктурный и фазовый анализ 45
2.2.2 Определение физико-механических свойств 1111ММ 45
2.2.3 Определение размера пор и пористости 1111ММ 47
2.3 Выводы по главе 2 48
Глава 3 Изготовление пористых проницаемых металлокерамических материалов
(ППММ) методом СВС 50
3.1 Получение ППММ на основе базового состава окалина легированной
стали+А12О3+А1 50
3.2 СВС-материалы на основе алюминия, оксидов железа и алюминия, а также
с добавками никеля, хрома и оксидов хрома 55
3.3 Введение в шихту оксида хрома 56
3.4 Влияние хрома на СВС синтез 1111ММ 58
3.5 Влияние никеля на СВС синтез 1111ММ 60
3.6 Многокомпонентная шихта 61
3.7 1111ММ СВС-материалы с добавками минералов, содержащих
редкоземельные материалы 62
3.7.1 СВС-материалы, полученные с добавками минерала монацита 64
3.7.2 СВС-материалы, полученные с добавками минерала бастнезита 66
3.8 Выводы по главе 3 68
Глава 4 Влияние компонентов шихты на физико-механические свойства пористых проницаемых металлокерамических материалов, полученных методом СВС 70
4.1 Влияние компонентов шихты на физико-механические свойства 1111ММ. 70
4.1.1 Влияние содержания оксида железа в базовой шихте на механические
свойства композиционного материала 70
4.1.2 Влияние хрома на физико-механические свойства 1111ММ 71
4.1.3 Влияние оксида хрома на физико-механические свойства 1111ММ 72
4.1.4 Влияние никеля на механические свойства 1111ММ 72
4.2 Физико-механические характеристики 1111ММ с добавками полиметаллических минералов 74
4.2.1 Добавки в шихту монацита 74
4.2.2 Добавление в шихту бастнезита 75
4.3 Выводы по главе 4 77
Глава 5 Расчет химического состава компонентов шихты 79
5.1 Математическая интерпритация физико-механических свойств пористых
проницаемых материалов в зависимости от содержания компонентов никеля, хрома и оксида хрома в базовой шихте 79
5.2 Расчет содержания компонентов (Ni, Cr, Cr2O3) в базовой шихте по физико
механическим свойствам пористых проницаемых материалов 100
5.3 Выводы по главе 5 105
Глава 6 Эксплуатационные исследования СВС-фильтров по очистке отработавших газов дизелей 106
6.1 Воздействие вибрации на 1111ММ, полученные методом СВС 106
6.2 Комплекс для изучения вибрационных свойств 1111ММ. Методика
проведения исследований 107
6.3 Технологические режимы и факторы влияния на свойства 1111ММ в
условиях вибрации 109
6.4 Комплексная стендовая установка для исследования качества очистки
отработавших газов дизелей СВС-фильтрами 113
6.5 Результаты исследования очистки отработавших газов дизелей 116
6.6 Апробация результатов исследования 119
6.7 Выводы по главе 6 120
Заключение 122
Список литературы 125
Приложение А 143
Приложение Б 144
Глава 1 Основные физико-технические принципы изготовления пористых проницаемых металлокерамических материалов методом СВС, используемых для очистки отработавших газов ДВС 13
1.1 Пористые проницаемые материалы (ППММ), используемые для
фильтрации газовых сред 13
1.2 СВС технологии для получения ППММ 19
1.2.1 Классические модели волны твердопламенного горения 19
1.2.2 СВС - способ получения пористых материалов 21
1.3 Пористый проницаемый СВС-материал 22
1.4 Механические нагрузки при фильтрации отработавших газов дизелей
пористыми проницаемыми металлокерамическими материалами 25
1.5 Заключение по главе 1 29
Глава 2 Подготовка порошков и шихты для получения 1111ММ методом СВС.
Методика и аппаратура экспериментальных исследований вибростойких пористых проницаемых СВС-материалов 32
2.1 Подготовка компонентов шихты и изготовление пористого проницаемого
металлокерамического материала 32
2.1.1 Получение порошков из металлов и неметаллов 32
2.1.2 Определение дисперсности порошков 33
2.1.3 Дисперсность порошков и их характеристики 33
2.1.4 Гранулометрический состав порошков шихты 38
2.1.5 Подготовка шихты 39
2.1.6 Инициирование реакции СВС 39
2.2 Исследование свойств полученных 1111ММ 44
2.2.1 Микроструктурный и фазовый анализ 45
2.2.2 Определение физико-механических свойств 1111ММ 45
2.2.3 Определение размера пор и пористости 1111ММ 47
2.3 Выводы по главе 2 48
Глава 3 Изготовление пористых проницаемых металлокерамических материалов
(ППММ) методом СВС 50
3.1 Получение ППММ на основе базового состава окалина легированной
стали+А12О3+А1 50
3.2 СВС-материалы на основе алюминия, оксидов железа и алюминия, а также
с добавками никеля, хрома и оксидов хрома 55
3.3 Введение в шихту оксида хрома 56
3.4 Влияние хрома на СВС синтез 1111ММ 58
3.5 Влияние никеля на СВС синтез 1111ММ 60
3.6 Многокомпонентная шихта 61
3.7 1111ММ СВС-материалы с добавками минералов, содержащих
редкоземельные материалы 62
3.7.1 СВС-материалы, полученные с добавками минерала монацита 64
3.7.2 СВС-материалы, полученные с добавками минерала бастнезита 66
3.8 Выводы по главе 3 68
Глава 4 Влияние компонентов шихты на физико-механические свойства пористых проницаемых металлокерамических материалов, полученных методом СВС 70
4.1 Влияние компонентов шихты на физико-механические свойства 1111ММ. 70
4.1.1 Влияние содержания оксида железа в базовой шихте на механические
свойства композиционного материала 70
4.1.2 Влияние хрома на физико-механические свойства 1111ММ 71
4.1.3 Влияние оксида хрома на физико-механические свойства 1111ММ 72
4.1.4 Влияние никеля на механические свойства 1111ММ 72
4.2 Физико-механические характеристики 1111ММ с добавками полиметаллических минералов 74
4.2.1 Добавки в шихту монацита 74
4.2.2 Добавление в шихту бастнезита 75
4.3 Выводы по главе 4 77
Глава 5 Расчет химического состава компонентов шихты 79
5.1 Математическая интерпритация физико-механических свойств пористых
проницаемых материалов в зависимости от содержания компонентов никеля, хрома и оксида хрома в базовой шихте 79
5.2 Расчет содержания компонентов (Ni, Cr, Cr2O3) в базовой шихте по физико
механическим свойствам пористых проницаемых материалов 100
5.3 Выводы по главе 5 105
Глава 6 Эксплуатационные исследования СВС-фильтров по очистке отработавших газов дизелей 106
6.1 Воздействие вибрации на 1111ММ, полученные методом СВС 106
6.2 Комплекс для изучения вибрационных свойств 1111ММ. Методика
проведения исследований 107
6.3 Технологические режимы и факторы влияния на свойства 1111ММ в
условиях вибрации 109
6.4 Комплексная стендовая установка для исследования качества очистки
отработавших газов дизелей СВС-фильтрами 113
6.5 Результаты исследования очистки отработавших газов дизелей 116
6.6 Апробация результатов исследования 119
6.7 Выводы по главе 6 120
Заключение 122
Список литературы 125
Приложение А 143
Приложение Б 144
Актуальность темы. Развитие машиностроение в современных условиях предъявляет повышенные требования качеству и интенсивности режимов эксплуатации узлов и агрегатов машин и соответственно предъявляет повышенные требования композитным материалам и изделиям. При этом производство новых композитных деталей агрегатов машин связано с увеличением выбросов токсичных веществ в атмосферу.
Для очистки от вредных веществ газообразных выбросов в атмосферу в промышленности, энергетике и на транспорте широко используются пористые проницаемые металлокерамические материалы (ППММ).
Технологическим процессом, обеспечивающим возможность получения целого ряда продуктов с уникальным комплексом эксплуатационных свойств, является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС).Процесс разработан академиком Мержановым А.Г., его развитие продолжено профессором Максимовым Ю.М. в Томской школе, а затем профессором Евстигнеевым В.В. в Барнауле.
Пористые проницаемые материалы, получаемые с использованием технологии СВС, обладают целым рядом преимуществ, включая низкую энергоемкость изготовления, создание материалов с требуемыми физико-механическими и функциональными свойствами, достаточную механическую прочность, коррозионную стойкость при использовании в энергетических и автотранспортных средствах.
Пористые СВС-материалы на основе окалины легированной стали (отходов машиностроения и металлургии) с добавлением в шихту минералов монацита и бастнезита, содержащих в незначительных количествах редкоземельные элементы церий и торий и их оксиды (на уровне радиоактивного фона), позволяют создавать не только фильтры, но и фильтры-нейтрализаторы вредных отработанных газов в промышленности и на транспорте. Последние можно использовать как
6 фильтры жидких и газовых сред. Исследования в данном направлении имеют эколого-экономическую значимость в промышленности.
Улучшение физических и механических свойств СВС-материалов может быть решена в рамках следующих направлений: управление составом материалов путем подбора легирующих порошковых компонентов шихты; изменение структуры ИИММ; подбором технологических режимов.
Дальнейшее развитие проблемы эффективного использования пористых проницаемых СВС-материалов в фильтрах-нейтрализаторах для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) транспортных и энергетических установок невозможно без разработки физико-химических принципов технологии и способов получения пористых металлокерамических материалов с фильтрующими свойствами. На основании вышеизложенного тема диссертационной работы является актуальной.
Степень разработки темы. Существенный вклад в развитие теории и практики технологии СВС внесли отечественные ученые: Мержанов А.Г., Максимов Ю.М., Евстигнеев В.В., Мукасьян А.С., Рогачев А.С., Корчагин М.А., Боровин- ская И.П. и др. Их исследования позволили получить целый ряд продуктов, в том числе пористых материалов, способных работать в условиях высоких температур, механических нагрузок и т.д.
Благодаря наличию в пористых материалах системы взаимосвязанных пор они широко применяются во многих областях народного хозяйства, в том числе для очистки атмосферы от вредных веществ газообразных выбросов в промышленности, энергетике и на транспорте. Этому вопросу посвящены работы Кир- дяшкина А.И., Юсупова Р.А., Китлера В.Д. и других исследователей.
В энергетике и на транспорте наблюдается развитие следующих основных видов материалов для очистки отработавших газов: пористых проницаемых керамических фильтрующих элементов, пористых проницаемых сред из валентных металлов или их соединений, на основе металлической фольги и на основе метал- ловолокон.
Керамическая структура для нейтрализатора с нанесением катализатора на поверхность разработана фирмой «NGK Insulators, Ltd.» (Япония). Специалистами
7
фирмы «HJS» (Германия) изготовлены пористые проницаемые материалы мето-
дом порошковой металлургии.
Несмотря на накопленный опыт в области создания пористых проницаемых СВС-материалов в фильтрах нейтрализаторах для ДВС, их дальнейшее применение невозможно без решения задачи повышения физико-механических и эксплуатационных свойств и, в частности, каталитических свойств. При создании каталитических материалов для очистки газов нерешенной задачей в настоящее время является проблема замещения в СВС фильтрах благородных металлов и редкоземельных материалов на минералы, которые содержат редкоземельные металлы (РЗМ).
Цель исследования. Обеспечение требуемого уровня физико-механических свойств металлокерамических пористых проницаемых СВС-материалов на основе порошков окалины легированной стали, алюминия, оксидов цветных металлов, хрома, никеля и минералов, путем определения количественного и качественного состава компонентов шихты.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
1) исследовать структуру и фазовый состав ППММ, полученного методом СВС технологий с использованием окалины легированной стали, цветных металлов и их оксидов, монацита и бастнезита, церия и тория в очень малых количествах;
2) установить взаимосвязь между количественным составом компонентов шихты, структурой синтезированного продукта и, соответственно, их влияние на формирующиеся физико-механические и эксплуатационные свойства фильтрующих элементов;
3) разработать алгоритм и программу расчета процентного содержания компонентов шихты в зависимости от требуемых физико-механических свойств ППММ;
4) изготовить СВС-фильтры отработавших газов дизелей и провести исследование их эксплуатационных свойств. Внедрить результаты исследования.
Объект исследования. Пористые проницаемые металлокерамические материалы, изготовленные по технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.
Предмет исследования. Влияние типа и содержания легирующих элементов и минералов, вводимых в порошковую смесь, на структуру и физикомеханические свойства синтезированных ППММ.
Научная новизна полученных результатов
1. Установлена взаимосвязь между химическим составом исходной шихты и физико-механическими свойствами ППММ:
- введение более 17,5 масс. % оксида хрома в базовую смесь повышает температуру реакции, резко интенсифицирует процесс газоотвода, что приводит к образованию оксидов железа, увеличению диаметра пор, уменьшению пористости, снижению механических свойств;
- введение до 8 масс. % хрома в состав шихты приводит к более равномерному распределению металлокерамического компонента в каркасе, увеличению модуля упругости, прочности на сжатие и изгиб, уменьшению среднего диаметра пор, увеличению пористости;
- введение в исходную шихту до 12 масс. % никеля обеспечивает формирование в реакционной системе интерметаллических соединений, приводит к увеличению модуля упругости, прочности на сжатие и изгиб, уменьшению среднего диаметра пор и пористости. Введение более 12 масс. % никеля в реакционную смесь замедляет скорость реакции, увеличивается объем жидкой фазы.
2. На основе структурно-фазового анализа установлено, что введение в шихту минералов (монацита, бастнезита) фактически не изменяет микроструктуру материала, а фазовое различие определяется появлением церия, оксидов церия и тория. Увеличение концентрации монацита и бастнезита в шихте до 17 масс. % приводит к снижению прочности ППММ на сжатие и изгиб, увеличению среднего диаметра пор и пористости материала.
3. На основе данных экспериментов получены аналитические зависимости между физико-механическими свойствами (модуль упругости, прочность на сжатие, прочность при изгибе, пористость) пористых проницаемых металлокерамических материалов и содержанием в базовой шихте компонентов никеля, хрома и оксида хрома.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость полученных в работе данных заключается в расширении знаний об особенностях СВС порошковых композиционных материалов с металлокерамической матрицей. Полученные данные свидетельствуют о том, что, изменяя состав порошковой шихты путем введения легирующих добавок и минералов, можно в широких пределах управлять структурой и фазообразованиеми физикомеханическими свойствами получаемых материалов при проведении СВС- реакции во фронтальном режиме.
Практическая значимость диссертационной работы основана на возможности использования полученных результатов при решении задач, актуальных для ряда отраслей промышленного производства.
Замена в исходной шихте редкоземельных церия и тория на порошки монацита или бастнезита позволяет снизить себестоимость полученных фильтров- нейтрализаторов.
Результаты экспериментальных данных аппроксимированы, получены аналитические зависимости, предложен алгоритм и программа для расчета процентного содержания компонентов шихты в зависимости от требуемых физикомеханических свойств ППММ.
Результаты диссертационной работы переданы для внедрения на предприятии ООО "МАЗСЕРВИС" (г. Барнаул) и используются в учебном процессе ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» (АлтГТУ) при реализации образовательных программ в области материаловедения, порошковой металлургии и композиционных материалов.
Исследования проводились в рамках государственного Задания № FZMM- 2020-0002 и FZMM-2023-0003 Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
Методы исследования и достоверность полученных результатов. В работе нашли применение как теоретические, так и экспериментальные методы исследования, хорошо известные и апробированные на практике научной школами Ю.М. Максимова и А.Г. Мержанова. Достоверность результатов достигнута путем использования прогрессивных методов и средств измерений, соблюдением требований стандартов, систематической поверкой контрольно измерительных приборов.
Аналитические исследования в работе основывались на фундаментальных положениях материаловедения, физики горения, технической физики, оптических методов исследования(дифракции рентгеновских лучей).
Экспериментальные исследования по теме диссертации выполнялись с использованием оборудования и аналитических программ, а именно: дифрактометра марки ДРОН-6 с рентгеновской трубкой CuKa излучением; оптический микроскоп Carl Zeiss Axio Observer Z1m; газоанализаторы MEXA-321 и RS-325L; дымометр Bosh EFAW 65A, универсальная гидравлическая машина Р-10.
Положения, выносимые на защиту
1. Введение в базовую порошковую смесь оксида хрома обеспечивает создание более однородной структуры материала за счет появление в системе за счет более полного проплавления хрома и образования интерметаллидов на жестком каркасе из оксидов железа . При этом большое влияние на формирование свойств ППММ оказывает количество оксида хрома, вводимого в шихту. При введении Cr2O3 более 17,5 масс. % диаметр пор увеличивается на 20-50%, а пористость уменьшается на 20-30%, что приводит к уменьшению механической прочности на 10-35% синтезируемого материала.
2. Реализация процесса СВ-синтеза ППММ при введении хрома и никеля в базовую порошковую смесь приводит к более равномерному распределению металлокерамического каркаса за счет полного проплавления компонентов системы. Это позволяет обеспечить более однородное распределение структурных интерметаллидных составляющих и, соответственно, увеличение механической прочности на 15-30% синтезируемого материала.
3. Введение добавок минералов (монацита, бастнезита) в состав шихты позволяет повысить качество очистки отработавших газов дизелей (выбросы закиси и окиси азота уменьшаются на 35...42 %; угарного газа - на 4...14 %; углеводородов - на 3.10 %), что связано с повышением каталитических свойств получаемых материалов. Изменение процентного содержания монацита и бастнезита в порошковой смеси приводит к увеличению пористости до 60% получаемых материалов при СВ синтезе ИИММ.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены на 5 научно-технических конференциях АлтГТУ в 2015-2020 гг.; I Всероссийской научно-практической конференции Донского государственного технического университета в 2016 г., г. Таганрог; V Всероссийской научно-практической конференции Рубцовского индустриального института (филиала АлтГТУ) в 2015г., г. Рубцовск; VIII Международной научно-практической конференции Юргинского технологического института в 2017 г., г. Юрга; научно-технических семинарах АлтГТУ в 2015-2023 гг.
Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, определении методов анализа пористых проницаемых металлокерамических СВС-материалов, изготовлении изделий, разработке составов порошковых смесей для получения заданных материалов в качестве фильтрующих элементов отработавших газов ДВС, экспериментальном исследовании физико-механических характеристик изделий, анализе полученных результатов, написании статей по теме исследования.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 16 работ, в том числе 8 статей в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, 4 статьи в журналах, входящих в базу данных SCOPUS и 3 в других изданиях, 1 монография.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и приложений. Работа изложена на 142 страницах, включая 59 рисунков, 38 таблиц и список литературы из 140 наименований. Общий объем диссертации составляет 144 страницы.
Для очистки от вредных веществ газообразных выбросов в атмосферу в промышленности, энергетике и на транспорте широко используются пористые проницаемые металлокерамические материалы (ППММ).
Технологическим процессом, обеспечивающим возможность получения целого ряда продуктов с уникальным комплексом эксплуатационных свойств, является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС).Процесс разработан академиком Мержановым А.Г., его развитие продолжено профессором Максимовым Ю.М. в Томской школе, а затем профессором Евстигнеевым В.В. в Барнауле.
Пористые проницаемые материалы, получаемые с использованием технологии СВС, обладают целым рядом преимуществ, включая низкую энергоемкость изготовления, создание материалов с требуемыми физико-механическими и функциональными свойствами, достаточную механическую прочность, коррозионную стойкость при использовании в энергетических и автотранспортных средствах.
Пористые СВС-материалы на основе окалины легированной стали (отходов машиностроения и металлургии) с добавлением в шихту минералов монацита и бастнезита, содержащих в незначительных количествах редкоземельные элементы церий и торий и их оксиды (на уровне радиоактивного фона), позволяют создавать не только фильтры, но и фильтры-нейтрализаторы вредных отработанных газов в промышленности и на транспорте. Последние можно использовать как
6 фильтры жидких и газовых сред. Исследования в данном направлении имеют эколого-экономическую значимость в промышленности.
Улучшение физических и механических свойств СВС-материалов может быть решена в рамках следующих направлений: управление составом материалов путем подбора легирующих порошковых компонентов шихты; изменение структуры ИИММ; подбором технологических режимов.
Дальнейшее развитие проблемы эффективного использования пористых проницаемых СВС-материалов в фильтрах-нейтрализаторах для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) транспортных и энергетических установок невозможно без разработки физико-химических принципов технологии и способов получения пористых металлокерамических материалов с фильтрующими свойствами. На основании вышеизложенного тема диссертационной работы является актуальной.
Степень разработки темы. Существенный вклад в развитие теории и практики технологии СВС внесли отечественные ученые: Мержанов А.Г., Максимов Ю.М., Евстигнеев В.В., Мукасьян А.С., Рогачев А.С., Корчагин М.А., Боровин- ская И.П. и др. Их исследования позволили получить целый ряд продуктов, в том числе пористых материалов, способных работать в условиях высоких температур, механических нагрузок и т.д.
Благодаря наличию в пористых материалах системы взаимосвязанных пор они широко применяются во многих областях народного хозяйства, в том числе для очистки атмосферы от вредных веществ газообразных выбросов в промышленности, энергетике и на транспорте. Этому вопросу посвящены работы Кир- дяшкина А.И., Юсупова Р.А., Китлера В.Д. и других исследователей.
В энергетике и на транспорте наблюдается развитие следующих основных видов материалов для очистки отработавших газов: пористых проницаемых керамических фильтрующих элементов, пористых проницаемых сред из валентных металлов или их соединений, на основе металлической фольги и на основе метал- ловолокон.
Керамическая структура для нейтрализатора с нанесением катализатора на поверхность разработана фирмой «NGK Insulators, Ltd.» (Япония). Специалистами
7
фирмы «HJS» (Германия) изготовлены пористые проницаемые материалы мето-
дом порошковой металлургии.
Несмотря на накопленный опыт в области создания пористых проницаемых СВС-материалов в фильтрах нейтрализаторах для ДВС, их дальнейшее применение невозможно без решения задачи повышения физико-механических и эксплуатационных свойств и, в частности, каталитических свойств. При создании каталитических материалов для очистки газов нерешенной задачей в настоящее время является проблема замещения в СВС фильтрах благородных металлов и редкоземельных материалов на минералы, которые содержат редкоземельные металлы (РЗМ).
Цель исследования. Обеспечение требуемого уровня физико-механических свойств металлокерамических пористых проницаемых СВС-материалов на основе порошков окалины легированной стали, алюминия, оксидов цветных металлов, хрома, никеля и минералов, путем определения количественного и качественного состава компонентов шихты.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
1) исследовать структуру и фазовый состав ППММ, полученного методом СВС технологий с использованием окалины легированной стали, цветных металлов и их оксидов, монацита и бастнезита, церия и тория в очень малых количествах;
2) установить взаимосвязь между количественным составом компонентов шихты, структурой синтезированного продукта и, соответственно, их влияние на формирующиеся физико-механические и эксплуатационные свойства фильтрующих элементов;
3) разработать алгоритм и программу расчета процентного содержания компонентов шихты в зависимости от требуемых физико-механических свойств ППММ;
4) изготовить СВС-фильтры отработавших газов дизелей и провести исследование их эксплуатационных свойств. Внедрить результаты исследования.
Объект исследования. Пористые проницаемые металлокерамические материалы, изготовленные по технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.
Предмет исследования. Влияние типа и содержания легирующих элементов и минералов, вводимых в порошковую смесь, на структуру и физикомеханические свойства синтезированных ППММ.
Научная новизна полученных результатов
1. Установлена взаимосвязь между химическим составом исходной шихты и физико-механическими свойствами ППММ:
- введение более 17,5 масс. % оксида хрома в базовую смесь повышает температуру реакции, резко интенсифицирует процесс газоотвода, что приводит к образованию оксидов железа, увеличению диаметра пор, уменьшению пористости, снижению механических свойств;
- введение до 8 масс. % хрома в состав шихты приводит к более равномерному распределению металлокерамического компонента в каркасе, увеличению модуля упругости, прочности на сжатие и изгиб, уменьшению среднего диаметра пор, увеличению пористости;
- введение в исходную шихту до 12 масс. % никеля обеспечивает формирование в реакционной системе интерметаллических соединений, приводит к увеличению модуля упругости, прочности на сжатие и изгиб, уменьшению среднего диаметра пор и пористости. Введение более 12 масс. % никеля в реакционную смесь замедляет скорость реакции, увеличивается объем жидкой фазы.
2. На основе структурно-фазового анализа установлено, что введение в шихту минералов (монацита, бастнезита) фактически не изменяет микроструктуру материала, а фазовое различие определяется появлением церия, оксидов церия и тория. Увеличение концентрации монацита и бастнезита в шихте до 17 масс. % приводит к снижению прочности ППММ на сжатие и изгиб, увеличению среднего диаметра пор и пористости материала.
3. На основе данных экспериментов получены аналитические зависимости между физико-механическими свойствами (модуль упругости, прочность на сжатие, прочность при изгибе, пористость) пористых проницаемых металлокерамических материалов и содержанием в базовой шихте компонентов никеля, хрома и оксида хрома.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость полученных в работе данных заключается в расширении знаний об особенностях СВС порошковых композиционных материалов с металлокерамической матрицей. Полученные данные свидетельствуют о том, что, изменяя состав порошковой шихты путем введения легирующих добавок и минералов, можно в широких пределах управлять структурой и фазообразованиеми физикомеханическими свойствами получаемых материалов при проведении СВС- реакции во фронтальном режиме.
Практическая значимость диссертационной работы основана на возможности использования полученных результатов при решении задач, актуальных для ряда отраслей промышленного производства.
Замена в исходной шихте редкоземельных церия и тория на порошки монацита или бастнезита позволяет снизить себестоимость полученных фильтров- нейтрализаторов.
Результаты экспериментальных данных аппроксимированы, получены аналитические зависимости, предложен алгоритм и программа для расчета процентного содержания компонентов шихты в зависимости от требуемых физикомеханических свойств ППММ.
Результаты диссертационной работы переданы для внедрения на предприятии ООО "МАЗСЕРВИС" (г. Барнаул) и используются в учебном процессе ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» (АлтГТУ) при реализации образовательных программ в области материаловедения, порошковой металлургии и композиционных материалов.
Исследования проводились в рамках государственного Задания № FZMM- 2020-0002 и FZMM-2023-0003 Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
Методы исследования и достоверность полученных результатов. В работе нашли применение как теоретические, так и экспериментальные методы исследования, хорошо известные и апробированные на практике научной школами Ю.М. Максимова и А.Г. Мержанова. Достоверность результатов достигнута путем использования прогрессивных методов и средств измерений, соблюдением требований стандартов, систематической поверкой контрольно измерительных приборов.
Аналитические исследования в работе основывались на фундаментальных положениях материаловедения, физики горения, технической физики, оптических методов исследования(дифракции рентгеновских лучей).
Экспериментальные исследования по теме диссертации выполнялись с использованием оборудования и аналитических программ, а именно: дифрактометра марки ДРОН-6 с рентгеновской трубкой CuKa излучением; оптический микроскоп Carl Zeiss Axio Observer Z1m; газоанализаторы MEXA-321 и RS-325L; дымометр Bosh EFAW 65A, универсальная гидравлическая машина Р-10.
Положения, выносимые на защиту
1. Введение в базовую порошковую смесь оксида хрома обеспечивает создание более однородной структуры материала за счет появление в системе за счет более полного проплавления хрома и образования интерметаллидов на жестком каркасе из оксидов железа . При этом большое влияние на формирование свойств ППММ оказывает количество оксида хрома, вводимого в шихту. При введении Cr2O3 более 17,5 масс. % диаметр пор увеличивается на 20-50%, а пористость уменьшается на 20-30%, что приводит к уменьшению механической прочности на 10-35% синтезируемого материала.
2. Реализация процесса СВ-синтеза ППММ при введении хрома и никеля в базовую порошковую смесь приводит к более равномерному распределению металлокерамического каркаса за счет полного проплавления компонентов системы. Это позволяет обеспечить более однородное распределение структурных интерметаллидных составляющих и, соответственно, увеличение механической прочности на 15-30% синтезируемого материала.
3. Введение добавок минералов (монацита, бастнезита) в состав шихты позволяет повысить качество очистки отработавших газов дизелей (выбросы закиси и окиси азота уменьшаются на 35...42 %; угарного газа - на 4...14 %; углеводородов - на 3.10 %), что связано с повышением каталитических свойств получаемых материалов. Изменение процентного содержания монацита и бастнезита в порошковой смеси приводит к увеличению пористости до 60% получаемых материалов при СВ синтезе ИИММ.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены на 5 научно-технических конференциях АлтГТУ в 2015-2020 гг.; I Всероссийской научно-практической конференции Донского государственного технического университета в 2016 г., г. Таганрог; V Всероссийской научно-практической конференции Рубцовского индустриального института (филиала АлтГТУ) в 2015г., г. Рубцовск; VIII Международной научно-практической конференции Юргинского технологического института в 2017 г., г. Юрга; научно-технических семинарах АлтГТУ в 2015-2023 гг.
Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, определении методов анализа пористых проницаемых металлокерамических СВС-материалов, изготовлении изделий, разработке составов порошковых смесей для получения заданных материалов в качестве фильтрующих элементов отработавших газов ДВС, экспериментальном исследовании физико-механических характеристик изделий, анализе полученных результатов, написании статей по теме исследования.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 16 работ, в том числе 8 статей в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, 4 статьи в журналах, входящих в базу данных SCOPUS и 3 в других изданиях, 1 монография.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и приложений. Работа изложена на 142 страницах, включая 59 рисунков, 38 таблиц и список литературы из 140 наименований. Общий объем диссертации составляет 144 страницы.
В рамках настоящей диссертационной работы проведены исследования, посвященные влиянию легирующих добавок и минералов на структурно-фазовое состояние пористых проницаемых СВС-материалов и их свойства. Получены следующие результаты и сделаны выводы.
1. Введение в базовую смесь более 17,5 масс.% оксида хрома повышает температуру реакции на 200...270 оС. Резко интенсифицируется процесс газоот- вода, диаметр пор может превышать 200-250 мкм, пористость уменьшается на 20.30%. Снижаются модуль упругости до 105-110,0 МПа, прочность при сжатии до 9-10 МПа, прочность при изгибе до 2,8-3,5 МПа. Уменьшение прочности полученного СВС-материала обусловлено образованием оксидов разных групп в структуре ППММ.
2. Введение в порошковую смесь никеля и хрома приводит к изменению структуры и процесса фазообразования в реакционной зоне:
- введение в состав шихты хрома до 8 масс.% приводит к равномерному распределению металлического компонента в металлокерамическом каркасе, появлению интерметаллического соединения Cr5Al8 и, соответственно, изменению свойств материала: увеличиваются модуль упругости до 116,2МПа, прочность при сжатии - до 12,0 МПа, прочность при изгибе - до 5,2 МПа, пористость - до 56%.При этом средний диаметр пор уменьшается до 165 мкм;
- введение в исходную шихту никеля до 12масс.%приводит к формированию в реакционной системе интерметаллидов NiAl, Ni2Al3, Fe3Al, что обусловливает увеличение растворимости Ni в Al, уменьшает разделение по фазам и, соответственно, изменяются свойства материала: модуль упругости увеличивается до 110,3МПа; прочность при сжатии увеличивается до 11,9 МПа; прочность при изгибе увеличивается до 7,2 МПа; средний диаметр пор уменьшается до 118 мкм; пористость уменьшается до 30%.
Таким образом, легирование СВС-материалов металлическими
компонентами позволяет изменять структуру и фазовый состав конечного продукта.
3. Структурно-фазовый анализ материалов, полученных при введении в шихту минералов (монацита, бастнезита) показал, что структура изменяется незначительно. Фазовый состав материала изменяется, появляются церий, оксид церия и торий. Увеличение концентрации монацита и бастнезита в шихте до 17 масс. %приводит к снижению прочности материала на сжатие и изгиб более чем в
1,5 раза, средний диаметр пор увеличивается до 170 мкм, пористость материала возрастает до 60%.
4. На основе экспериментальных данных построены аналитические зависимости физико-механических свойств пористых проницаемых материалов (модуль упругости, механическая прочность при сжатии, механическая прочность при изгибе, средний диаметр пор, пористость) от содержания компонентов в шихте. Предложена методика расчета содержания легирующих элементов и оксида хрома, вводимых в шихту, в зависимости от требуемых показателей качества очистки отработавших газов ДВС и механической прочности изделия.
5. Стендовые и натурные испытания фильтров-нейтрализаторов отработавших газов дизелей на основе разработанных и изготовленных ППММ показали, что показатели вредных выбросов при очистке отработавших газов дизелей уменьшаются (закись и окись азота -на 35-42%; угарный газ - на 4-14%; углеводороды - на 3-10%). Введение минералов монацита и бастнезита в состав шихты увеличивает качество очистки газов, что связано с повышением каталитических свойств получаемых материалов. Моторесурс изготовленных СВС-фильтров составляет 600-1000 тысяч часов в зависимости от режимов и условий работы дизелей.
6. Результаты работы приняты к применению при проведении ремонта, технического обслуживания и модернизации дизель-редукторных агрегатов в ООО "МАЗСЕРВИС". Ожидаемый экономический эффект составил не менее 170 тыс. рублей.
7. Сравнительный анализ составов шихты показал снижение расходов на сырье и материалы для производства единицы фильтра катализатора- нейтрализатора на 49,4 % при использовании минералов монацита и бастнезита.
Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки. Представленные в диссертационной работе исследования можно рекомендовать для получения многокомпонентных соединений, обладающих широким спектром структурных, физико-механических и эксплуатационных свойств.
При дальнейшем развитии темы следует обратить внимание на факторы, оказывающие существенное влияние на физико-механические свойства ППММ, такие как качество смешивания порошков шихты, способ нагрева шихты (использовать объемный нагрев), время термического отпуска образцов.
Изменяя температуру и скорость горения, можно синтезировать материалы с различной структурой. Скорость горения влияет на изменение физикомеханических свойств СВС-материалов. С уменьшением скорости горения увеличивается прочность ППММ на сжатие и изгиб, но снижается пористость материала; при увеличении скорости горения увеличивается пористость, но снижаются механические характеристики. Скорость горения можно регулировать составом шихты путем введения дополнительных легирующих компонентов и их дисперсностью.
Использование легирующих добавок и рудных материалов позволяет синтезировать материалы с изотропной и анизотропной структурами, которые приобретают однородную или переменную пористость.
1. Введение в базовую смесь более 17,5 масс.% оксида хрома повышает температуру реакции на 200...270 оС. Резко интенсифицируется процесс газоот- вода, диаметр пор может превышать 200-250 мкм, пористость уменьшается на 20.30%. Снижаются модуль упругости до 105-110,0 МПа, прочность при сжатии до 9-10 МПа, прочность при изгибе до 2,8-3,5 МПа. Уменьшение прочности полученного СВС-материала обусловлено образованием оксидов разных групп в структуре ППММ.
2. Введение в порошковую смесь никеля и хрома приводит к изменению структуры и процесса фазообразования в реакционной зоне:
- введение в состав шихты хрома до 8 масс.% приводит к равномерному распределению металлического компонента в металлокерамическом каркасе, появлению интерметаллического соединения Cr5Al8 и, соответственно, изменению свойств материала: увеличиваются модуль упругости до 116,2МПа, прочность при сжатии - до 12,0 МПа, прочность при изгибе - до 5,2 МПа, пористость - до 56%.При этом средний диаметр пор уменьшается до 165 мкм;
- введение в исходную шихту никеля до 12масс.%приводит к формированию в реакционной системе интерметаллидов NiAl, Ni2Al3, Fe3Al, что обусловливает увеличение растворимости Ni в Al, уменьшает разделение по фазам и, соответственно, изменяются свойства материала: модуль упругости увеличивается до 110,3МПа; прочность при сжатии увеличивается до 11,9 МПа; прочность при изгибе увеличивается до 7,2 МПа; средний диаметр пор уменьшается до 118 мкм; пористость уменьшается до 30%.
Таким образом, легирование СВС-материалов металлическими
компонентами позволяет изменять структуру и фазовый состав конечного продукта.
3. Структурно-фазовый анализ материалов, полученных при введении в шихту минералов (монацита, бастнезита) показал, что структура изменяется незначительно. Фазовый состав материала изменяется, появляются церий, оксид церия и торий. Увеличение концентрации монацита и бастнезита в шихте до 17 масс. %приводит к снижению прочности материала на сжатие и изгиб более чем в
1,5 раза, средний диаметр пор увеличивается до 170 мкм, пористость материала возрастает до 60%.
4. На основе экспериментальных данных построены аналитические зависимости физико-механических свойств пористых проницаемых материалов (модуль упругости, механическая прочность при сжатии, механическая прочность при изгибе, средний диаметр пор, пористость) от содержания компонентов в шихте. Предложена методика расчета содержания легирующих элементов и оксида хрома, вводимых в шихту, в зависимости от требуемых показателей качества очистки отработавших газов ДВС и механической прочности изделия.
5. Стендовые и натурные испытания фильтров-нейтрализаторов отработавших газов дизелей на основе разработанных и изготовленных ППММ показали, что показатели вредных выбросов при очистке отработавших газов дизелей уменьшаются (закись и окись азота -на 35-42%; угарный газ - на 4-14%; углеводороды - на 3-10%). Введение минералов монацита и бастнезита в состав шихты увеличивает качество очистки газов, что связано с повышением каталитических свойств получаемых материалов. Моторесурс изготовленных СВС-фильтров составляет 600-1000 тысяч часов в зависимости от режимов и условий работы дизелей.
6. Результаты работы приняты к применению при проведении ремонта, технического обслуживания и модернизации дизель-редукторных агрегатов в ООО "МАЗСЕРВИС". Ожидаемый экономический эффект составил не менее 170 тыс. рублей.
7. Сравнительный анализ составов шихты показал снижение расходов на сырье и материалы для производства единицы фильтра катализатора- нейтрализатора на 49,4 % при использовании минералов монацита и бастнезита.
Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки. Представленные в диссертационной работе исследования можно рекомендовать для получения многокомпонентных соединений, обладающих широким спектром структурных, физико-механических и эксплуатационных свойств.
При дальнейшем развитии темы следует обратить внимание на факторы, оказывающие существенное влияние на физико-механические свойства ППММ, такие как качество смешивания порошков шихты, способ нагрева шихты (использовать объемный нагрев), время термического отпуска образцов.
Изменяя температуру и скорость горения, можно синтезировать материалы с различной структурой. Скорость горения влияет на изменение физикомеханических свойств СВС-материалов. С уменьшением скорости горения увеличивается прочность ППММ на сжатие и изгиб, но снижается пористость материала; при увеличении скорости горения увеличивается пористость, но снижаются механические характеристики. Скорость горения можно регулировать составом шихты путем введения дополнительных легирующих компонентов и их дисперсностью.
Использование легирующих добавок и рудных материалов позволяет синтезировать материалы с изотропной и анизотропной структурами, которые приобретают однородную или переменную пористость.
