КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-29-01599
НазваниеИсследование процесса синтеза диффузионного слоя карбида кремния на поверхности частицы медного шлака для создания нового абразива повышенной прочности
РуководительБарсуков Геннадий Валерьевич, Доктор технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева", Орловская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2022 г. - 2023 г. |
Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-601 - Теория, методы проектирования и эффективность функционирования технических систем
Ключевые словаМашиностроение, гидроабразивная обработка, резание, гидроабразивная установка, медный шлак
Код ГРНТИ55.31.35
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на решение актуальной задачи переработки шлаковых отходов предприятий цветной металлургии. Проблематика заявляемого проекта связана с получением из шлаковых отходов медного производства продукции технического назначения - нового типа абразивного материала повышенной прочности за счет управляемого химико-термического синтеза в поверхностном слое частицы медного шлака диффузионного SiC слоя. В России, в шлаковых отвалах накоплено более 800 млн. т. шлаков цветной металлургии. Объем использования шлаков менее 5 процентов. Использование медного шлака повышенной прочности для передовой производственной технологии гидроабразивной резки позволит заменить импортный гранатовый песок из Индии, Австралии, Китая и обеспечить технологическую безопасность России.
Предлагаемый в проекте подход к переработке отходов предприятий цветной металлургии для получения новых абразивных материалов из медного шлака с наноструктурированным поверхностным слоем является энергоресурсоэффективным и безопасным для окружающей среды, так как шлаковые отходы уже прошли механическую и термическую обработку при плавке меди и для придания им требуемых физико-механических свойств необходимо в разы меньше энергии, чем при производстве электрокорунда, карбида кремния и других абразивов из сверхтвердых материалов. Использование медного шлака в производственных технологиях механической обработки ограничивается из-за невысокой твердости. Решающим фактором вовлечения техногенных месторождений медного шлака в переработку должно стать его использование для гидроабразивного резания различных материалов. Основным расходным материалом для гидроабразивной резки является гранатовый абразив из Австралии, Индии, Китая. Использование отечественных абразивов типа электрокорунда и карбида кремния приводит к износу сопла установки. Учитывая огромный спрос на подобные абразивные материалы для гидроабразивного резания и отсутствие в России аналогов, выявлена необходимость в проведении исследований связанных с созданием нового типа абразивного материала повышенной прочности из шлаков медного производства.
Поэтому, актуальными и имеющими важное научное и практическое значение являются исследования, направленные на изучение процесса синтеза диффузионного SiC слоя на поверхности частицы медного шлака и выявление взаимосвязи химических процессов с механическими свойствами абразива с позиций протекающих физических явлений. В проекте предлагается за счет химико-термического синтеза устойчивых межатомных связей между атомами частицы медного шлака и углеродсодержащего вещества получить в поверхностном слое абразива соединение карбида кремния, что позволит обеспечить достижение требуемого эффекта повышения прочности поверхностного слоя нового абразивного материала. Процессы и технологические принципы формирования диффузионного слоя карбида кремния в поверхностном слое частицы медного шлака играют существенную роль во всем комплексе свойств нового абразивного материала, и, прежде всего, в структуре и механических свойствах. Однако, несмотря на то, что механизмам карбидообразования в мировой научной литературе посвящено большое количество работ, отсутствуют теоретические зависимости и данные моделирования для установления взаимосвязи получаемой прочной структуры с составом химической среды и режимами химико-термической обработки. Расчеты по известным зависимостям не позволяют установить закономерности формирования структур в поверхностном слое частицы медного шлака при различном соотношении масс источника углерода и минерализаторов в процессе изотермической выдержки, выявить закономерности влияния твердой и газовой фазы на термодинамику и кинетику высокотемпературного превращения оксидов металлов шлака в карбиды при изотермической выдержке в среде кристаллического и аморфного углерода, а так же определить взаимосвязь между режимами химико-термической обработки и динамической прочностью, хрупкостью и твердостью частицы медного шлака с диффузионным SiC слоем.
Для решения проблемы создания нового типа абразивного материала повышенной прочности, позволяющего получить из шлаковых отходов медного производства абразив для передовой производственной технологии гидроабразивного резания различных материалов будут получены теоретические зависимости, математические и экспериментальные модели, устанавливающие взаимосвязь физико-механических свойств синтезированного карбидсодержащего поверхностного слоя с составом химической среды и режимами химико-термической обработки. Результаты проекта позволят обеспечить требуемые свойства нового абразивного материала для достижения высокой производительности и низкой шероховатости поверхности детали после ее формообразования на операции гидроабразивной резки. На основании полученных результатов будут рассчитаны оптимальные технологические режимы процесса формирования диффузионного поверхностного слоя карбида кремния (температура, соотношение масс, время выдержки, свойств карбюризатора и др.), необходимые для достижения качественных требований, предъявляемых к абразиву для гидроабразивного резания.
Цель проекта - проведение исследований синтеза диффузионного SiC слоя на поверхности частицы медного шлака, направленных на изучение с позиций химии твердого тела структуры, структурно-фазовых состояний, физико-химических превращений в поверхностном слое и установление взаимосвязи химических процессов с механическими свойствами с позиций протекающих физических явлений.
Цель проекта будет реализована путем последовательного выполнения следующего комплекса задач:
1. Провести аналитический обзор протекающих процессов и технологических принципов химико-термического синтеза на поверхности частицы медного шлака диффузионного слоя карбида кремния, включающий: анализ протекающих диффузионных процессов в поверхностном слое неметаллов из внешней активной среды при высокой температуре; анализ влияния режимов химико-термической обработки на получения диффузионных покрытий
2. Выявить закономерности влияния твердой и газовой фазы на термодинамику и кинетику высокотемпературного превращения оксидов металлов шлака в карбиды при изотермической выдержке в среде кристаллического и аморфного углерода.
3. Установить закономерности формирования структур в поверхностном слое частицы медного шлака при различном соотношении масс источника углерода и минерализаторов в процессе изотермической выдержки.
4. Разработать технологию и технологические принципы получения нового типа абразивного материала повышенной прочности направленные на создание устойчивых межатомных связей между атомами углеродсодержащего вещества и материала частицы медного шлака.
5. Исследовать физико-механические свойства нового абразивного материала повышенной прочности для гидроабразивной резки металлических, композиционных и сотовых материалов.
Предлагаемые методы и подходы.
В работе будут применены новые методы моделирования и подходы расчета с привлечением новых феноменологических моделей, позволяющих с единых позиций описывать объемную диффузию в металлах и оксидах металлов шлака. Для описания объемной диффузии в металлах и кубических оксидах наиболее эффективны модели "пустого" и "жидкого коридорa". Сущность процесса образования карбида кремния сводится к тому, что в результате взаимодействия двух исходных твёрдых продуктов SiO2 и С образуется фаза SiС. Химическая реакция сопровождается перестройкой одной структуры в другую. Для выполнения расчетов термодинамики и кинетики высокотемпературного превращения оксидов металлов шлака в карбиды будут использоваться данные об энтальпии и энтропии образования веществ. Расчеты будут проводиться с использованием закона Кирхгофа с оценкой изменения энергии Гиббса для комбинаций реакций. Для исследования образования устойчивых межатомных связей между атомами углеродсодержащего вещества и материала частицы медного шлака будут применены методы диагностики межфазных границ, а также методы исследования взаимодействия молекул на этих границах. Это позволит определить энергетическое состояние молекул на границе раздела двух фаз и адгезионные свойства диффузионного поверхностного слоя SiC частицы медного шлака с использованием данных о значениях краевого угла смачивания.
Таким образом, применение указанных методов и подходов позволят определить состав химической среды и режимы химико-термического синтеза для получения прочной структуры поверхностного слоя абразивной частицы, и дополнить известные результаты возможностью количественной оценки влияния твердой и газовой фазы на термодинамику и кинетику высокотемпературного превращения оксидов металлов шлака в карбиды при изотермической выдержке в среде кристаллического и аморфного углерода.
Научная значимость заключается в том, что полученные новые зависимости и закономерности будут основаны на новых методах моделирования и подходах описания объемной диффузии в металлах и оксидах металлов шлака и взаимодействия молекул на границах диффузионного слоя карбида кремния. Это позволит определить энергетическое состояние молекул на границе раздела двух фаз и адгезионные свойства диффузионного поверхностного слоя SiC частицы медного шлака с использованием данных о значениях краевого угла смачивания, что представляет новый подход в научном исследовании формирования нового абразивного материала и отличается от принятых:
- возможностью выявить закономерности формирования структур в поверхностном слое частицы медного шлака при различном соотношении масс источника углерода и минерализаторов в процессе изотермической выдержки;
- возможностью выявить закономерности влияния твердой и газовой фазы на термодинамику и кинетику высокотемпературного превращения оксидов металлов шлака в карбиды при изотермической выдержке в среде кристаллического и аморфного углерода;
- определить энергетическое состояние молекул на границе раздела двух фаз и адгезионные свойства диффузионного поверхностного слоя SiC частицы медного шлака с использованием данных о значениях краевого угла смачивания.
Достижимость решения поставленных задач и возможность получения запланированных результатов объясняется тем, что в основе положен новый подход для описания объемной диффузии в металлах и оксидах металлов шлаковых отходов, что позволит дополнить известные результаты возможностью количественной оценки влияния режимов химико-термического синтеза на характеристики прочности нового абразивного материала. Применение разработанных аналитических методов позволит получить решения для технологических задач формирования диффузионного слоя карбида кремния на поверхности частицы медного шлака, что позволит получить абразивный материал требуемой прочности обеспечивающий при использовании на гидроабразивном оборудование достижение требуемой производительности и шероховатости кромки обрабатываемой детали.
Ожидаемые результаты
1. Аналитический обзор протекающих процессов и технологических принципов химико-термического синтеза на поверхности частицы медного шлака диффузионного слоя карбида кремния, включающий: анализ протекающих диффузионных процессов в поверхностном слое неметаллов из внешней активной среды при высокой температуре; анализ влияния режимов химико-термической обработки на получения диффузионных покрытий. В ходе выполнения этапа будут проанализированы и обобщены полученные результаты по теме проекта из научно-технической литературы, научных публикаций в изданиях, входящих в библиографические базы данных (Scopus, Web of Science, РИНЦ), материалов Российских и международных симпозиумов и конференций.
2. Закономерности влияния твердой и газовой фазы на термодинамику и кинетику высокотемпературного превращения оксидов металлов шлака в карбиды при изотермической выдержке в среде кристаллического и аморфного углерода, что позволит разработать методику получения карбида кремния в поверхностном слое частицы медного шлака. На этом этапе на основе анализа изменения энергии Гиббса для комбинаций реакций с использованием закона Кирхгофа будет получен важный научный результат для создания нового абразивного материала повышенной прочности, позволяющий определить температурную схему химико-термического синтеза на поверхности частицы медного шлака диффузионного слоя карбида кремния, что будет в дальнейшем будет использовано при разработке требований к стадиям процесса формирования структуры диффузионного SiC слоя на поверхности абразива.
3. Закономерности формирования структур в поверхностном слое полиоксидной округлой частицы при различном соотношении масс источника углерода и минерализаторов в процессе изотермической выдержки, что позволит определить оптимальные условия возникновения карбидов кремния для повышения твердости исходного материала. Впервые исследования процесса синтеза диффузионного SiC на частицах медного шлака будут связаны с определением оптимальных условий возникновения карбидов кремния для повышения твердости исходного материала. Исследования позволят определить закономерности формирования структур в поверхностном слое частицы медного шлака при различном соотношении масс источника углерода и минерализаторов в процессе изотермической выдержки. Полученный результат послужит основой для описания процесса образования карбида кремния, как процесса взаимодействия двух исходных твёрдых продуктов С и SiO2 с образованием фазы SiС.
4. Технология и технологические принципы получения нового типа абразивного материала повышенной прочности направленные на создание устойчивых межатомных связей между атомами углеродсодержащего вещества и материала частицы медного шлака. Впервые будет определено энергетическое состояние молекул на границе раздела двух фаз и адгезионные свойства диффузионного SiC слоя частицы медного шлака с использованием данных о значениях краевого угла смачивания, что позволит обеспечить повышенную прочность нового абразивного материала.
5. Зависимости производительности и глубины гидроабразивной резки металлических, композиционных и сотовых материалов от физико-механических свойства нового абразивного материала повышенной прочности. На основе анализа поверхности реза и продуктов разрушения будет получен важный результат об уровне сформированной прочности абразива, что позволит сделать заключение о физико-механических свойствах нового абразивного материала из шлаков медного производства с диффузионного слоем карбида кремния с оценкой абразивной способности и режущих возможностей.
Несмотря на высокую актуальность современных исследований, связанных с гидроабразивным резанием, на мировом уровне не рассматривались вопросы получения нового абразивного материала повышенной прочности за счет управляемого химико-термического синтеза на поверхности частицы медного шлака диффузионного слоя карбида кремния. Хотя это направление весьма актуально, так как появляется возможность создать уникальные условия для гидроабразивного резания, когда, с одной стороны, мы можем повысить производительность резки, создав диффузионный слой карбида кремния, а с другой, значительно повысить использование отвальных шлаков медеплавильного производства.
Однако для его создания недостаточно научных знаний о технологических принципах формирования диффузионный слой карбида кремния на поверхности и процессах его химико-термического синтеза, что не позволяет обеспечить требуемую твердость и толщину карбидсодержащего слоя, а так же целостность нового абразивного материала в процессе эксплуатации. При описании и количественной оценке этих явлений, существенную роль играет учет особенностей формирования структур в поверхностном слое частицы медного шлака при различном соотношении масс источника углерода и минерализаторов в процессе изотермической выдержки. Это особенно важно при изучении физико-механических свойств нового абразивного материала повышенной прочности на производительность и глубину гидроабразивной резки.
Результаты выполнения проекта позволят преодолеть возникший технологический предел в развитии технологии гидроабразивного резания за счет получения нового абразивного материала на базе новых знаний в области физико-химических явлений, возникающих в процессе формирования на поверхности частицы медного шлака диффузионного слоя карбида кремния.
Данная работа направлена на решение конкретных задач, определенных в рамках Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации в области создания новых материалов.
Реализация проекта способствует формированию в России нового направления опережающего технологического развития, конкурентоспособного как на внутреннем, так и на мировых рынках производства абразивного материала повышенной прочности для гидроабразивного резания.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. Проведен аналитический обзор протекающих процессов и технологических принципов химико-термического синтеза на поверхности частицы медного шлака диффузионного слоя карбида кремния, включающего сбор и анализ существующих на сегодняшний день данных.
1.1 Проведен анализ протекающих диффузионных процессов в поверхностном слое неметаллов из внешней активной среды при высокой температуре.
Установлено, в основе диффузионных процессов лежат топохимические реакции. Определены стадии процесса химико-термического синтеза на поверхности диффузионного слоя. Установлено, что только учет кинетических особенностей топохимических реакций при формировании диффузионного покрытия, а именно влияние температуры и времени проведения химико-термической обработки на прочность и твердость покрытия, позволяет произвести оценку кинетических параметров реакции.
1.2 Проведен анализ влияния режимов химико-термической обработки на получение диффузионных покрытий.
Установлено, что скорость процесса диффузионного насыщения определяется скоростью достижения заданной концентрации диффундирующего элемента на поверхности и достижения требуемой глубины диффузионного слоя. Продолжительность процесса насыщения слагается из времени нагрева садки, времени выдержки и времени охлаждения до заданной температуры.
2. Проведено исследование влияния твердой и газовой фазы на термодинамику и кинетику высокотемпературного превращения оксидов металлов шлака в карбиды при изотермической выдержке в среде кристаллического и аморфного углерода, что позволит разработать методику получения карбида кремния в поверхностном слое частицы медного шлака.
2.1 Проведен термодинамический анализ химических процессов превращения оксидов металлов шлака в карбиды при изотермической выдержке в среде кристаллического и аморфного углерода.
2.1.1 Разработана методика выполнения расчетов термодинамики превращения оксидов металлов шлака в карбиды при изотермической выдержке в среде кристаллического и аморфного углерода.
Разработана методика выполнения расчетов термодинамики превращения оксидов металлов шлака в карбиды при изотермической выдержке в среде кристаллического и аморфного углерода, как операции над матрицами. Получены формулы для расчета соответствующей термодинамической характеристики химической реакции.
2.1.2 Проведены расчеты термодинамики превращения оксидов металлов шлака в карбиды при изотермической выдержке в среде кристаллического и аморфного углерода.
Рассмотрены изменения энергии Гиббса для возможных реакций. Выполнен расчет констант равновесия реакций в указанном температурном интервале.
2.1.3 Проведен анализ протекающих реакций превращения оксидов металлов шлака в карбиды при изотермической выдержке в среде кристаллического и аморфного углерода.
Определены температуры при которых реакции протекают самопроизвольно. Определены линейно-независимые реакции. Выбраны, исходя из значений энергии Гиббса и высокой термодинамической вероятности, наиболее возможные реакции.
2.2 Проведен кинетический анализ превращения оксидов металлов шлака в карбиды при изотермической выдержке в среде кристаллического и аморфного углерода.
2.2.1 Проведен анализ равновесия в газовой фазе при изотермической выдержке в среде кристаллического и аморфного углерода.
Отмечается, что твердые компоненты могут реагировать через промежуточное участие газовой фазы. В результате совместного рассмотрения уравнений закона действующих масс, получены уравнения усиления протекания реакций. Установлено, что при высоких температурах увеличение содержания моноксида углерода в газовой фазе будет способствовать усилению реакций, протекающих при его участии в качестве восстановителя.
2.2.2 Разработана схема и методика получения карбидов кремния и железа в поверхностном слое частицы медного шлака при изотермической выдержке в среде кристаллического и аморфного углерода.
Разработана схема и методика получения карбидов кремния и железа в поверхностном слое частицы медного шлака по результатам проведенного анализа термодинамики и кинетики процессов, протекающих при получении карбидов: получение карбида железа; получение кремния в газовой фазе; получение моноксида кремния в газовой фазе; получение карбида кремния при участии Si(g) и SiO(g).
3. Проведено исследование формирования структур в поверхностном слое полиоксидной округлой частицы при различном соотношении масс источника углерода и минерализаторов в процессе изотермической выдержки, что позволит определить оптимальные условия возникновения карбидов кремния для повышения твердости исходного материала.
3.1 Проведены теоретические исследования получения диффузионного SiC поверхностного слоя частицы медного шлака с участием твердых углеродосодержащих веществ и локализованных на поверхности раздела твердых фаз реагента.
Принято, что для создания условий диффузии ионов С и О необходимо обеспечить образование вакансии и перескок иона на это место. Исходя из этого записано уравнение энергии активации диффузии. Энергия образования вакансии рассчитывалась согласно модели Шоттки. Применена модель, при которой движение иона рассматривается, как проход иона к вакансии внутри соединяющего цилиндра. С учетом этого записаны уравнения для расчета энергии перехода иона кислорода и углерода. Установлено, что для того чтобы могло произойти сильное химическое взаимодействие, необходимо, чтобы комплексы (Me1 – O) и (Me2 – O) получили соответствующую энергию активации.
3.2 Разработан способ управляемого химико-термического синтеза на поверхности частицы медного шлака диффузионного SiC слоя кубического 3С политипа в среде кристаллического графита с образованием требуемых химических соединений, структурно-фазовых состояний и механических свойств.
Способ управляемого химико-термического синтеза на поверхности частицы медного шлака диффузионного SiC слоя заключается в том, что порошок абразивный из шлаков медеплавильного производства, дополнительно содержащий в качестве источника углерода древесный уголь с добавками минерализаторов в виде карбоната бария, криолита и хлорида натрия, подвергают изотермической выдержке в восстановительной атмосфере при температуре 900-980°C в течении 2,0-2,5 часов.
3.3 Получены опытные образцы медного шлака с диффузионным SiC слоем.
При создании опытных образцов были использованы соединения BaCO3, NaF, NaCl, H3BO3 и березовые опилки. Разработаны составы шихты и изготовлены опытные образцы медного шлака с диффузионным SiC слоем.
3.4 Определено энергетическое состояние молекул на границе раздела двух фаз и адгезионные свойства диффузионного поверхностного слоя SiC частицы медного шлака с использованием данных о значениях краевого угла смачивания.
По данным о краевом угле смачивания, воспользовавшись уравнениями для определения работы адгезии, после преобразования выражения среднего расстояния между молекулами веществ через их плотность и молярную массу, определена средняя энергия взаимодействия поверхностной молекулы вещества с молекулами приповерхностного слоя.
3.5 Проведено рентгеноструктурное изучение распределения химических элементов по поверхности частицы медного шлака с диффузионным SiC слоем.
Рентгеноструктурное изучение распределения химических элементов проведено с помощью рентгеновского дифрактометра ARL X’TRA. Кристаллическая структура химико-термически обработанного шлака преимущественно представлена соединениями AL2SiO5 – 40-55% и Mg3Al2(SiO4)3 – 28 - 35%, Fe2O3-9 – 12 %, ZnFe2O4 – 8 - 10%, SiC – 1 - 5%.
3.6 Проведен анализ формирования структур в поверхностном слое полиоксидной округлой частицы при различном соотношении масс источника углерода и минерализаторов в процессе изотермической выдержки
Установлено, что кристаллическая структура химико-термически обработанного шлака преимущественно представлена несколькими соединениями. Поведен анализ следующих структур: кианита Al2SiO5, пиропа Mg3Al2(SiO4)3, гематита α-Fe2O3, маггемита γ-Fe2O3, франклина ZnFe2O, карбида кремния SiC бета-модификации.
Публикации
1. Г. В. Барсуков, М.Ф Селеменев, Т.А. Журавлева, И.Н. Кравченко, Е.М. Селеменева, О.В. Бармина, Д. И. Петровский Влияние параметров химико-термической обработки частиц медного шлака на качество гидроабразивного резания Проблемы машиностроения и автоматизации (Journal of Machinery Manufacture and Reliability), №4, с.22-30 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.52261/02346206_2022_4_22
2. Г.В. БАРСУКОВ, Т.А. ЖУРАВЛЕВА, Е.М. СЕЛЕМЕНЕВА Исследование влияния режимов химико-термической обработки медного шлака на его прочность при гидроабразивном резании Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, № 3 (353) 2022, 28-33 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.33979/2073-7408-2022-353-3-28-33
3. Г.В. БАРСУКОВ, Т.А. ЖУРАВЛЕВА, О.Г. КОЖУС, Е.М. СЕЛЕМЕНЕВА, Е.А. ПРАСОЛОВ Изучение влияния морфологии абразивных частиц медного шлака на скорость и глубину гидроабразивного резания для создания нового абразива повышенной прочности Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, № 1 (351) 2022, 86-93 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.33979/2073-7408-2022-351-1-86-93
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Технология и технологические принципы получения нового типа абразивного материала повышенной прочности направленные на создание устойчивых межатомных связей между атомами углеродсодержащего вещества и материала частицы медного шлака.
1.1 Разработана технология и технологические принципы синтеза диффузионного слоя карбида кремния на поверхности частицы медного шлака для создания нового абразива повышенной прочности.
Разработаны технологические принципы синтеза SiC слоя на поверхности медного шлака, как результат взаимодействия двух исходных твёрдых продуктов SiO2 и С. Установлено, что реакция синтеза диффузионного SiC слоя на поверхности медного шлака протекает в две фазы. Отмечается, что при взаимодействии частиц кремния и углерода на их контактах сравнительно быстро образуется слой SiС, тормозящий развитие реакций между компонентами. Поэтому для синтеза SiC слоя на поверхности медного шлака необходимо использовать минерализаторы и стабилизаторы, способствующие химически ускорить или замедлить протекание необходимых реакций и в дальнейшем не войти в состав конечной фазы. Разработана технология синтеза SiC слоя на поверхности частицы.
1.2 Определены режимы химико-термической обработки частицы медного шлака в среде кристаллического и аморфного углерода с добавками минерализаторов в виде карбоната бария, криолита и хлорида натрия, что позволит направленно регулировать фазовый состав и структуру поверхностного слоя.
На основе исследования микротвердости поверхности медного шлака после химико-термической обработки (ХТО) и металлографических исследований установлено, что основное влияние на микротвердость поверхности оказывает время и температура насыщения. Определен оптимальный интервал по времени и температуре. Установлено, что значения микротвердости имеют линейную зависимость от времени насыщения и экспоненциальную от температуры насыщения. Отмечается, что в значительной степени микротвердость диффузионного SiC слоя определяют содержание добавок минерализаторов в виде карбоната бария, криолита и хлорида натрия. По результатам исследований рекомендуется оптимальный состав насыщающей углеродной среды.
1.3 Определены кинетические параметры протекающих реакций, позволяющие назначить температуру и время проведения химико-термической обработки, обеспечивающие необходимую прочность и твердость поверхностного слоя медного шлака.
Получены данные о росте содержания SiC на поверхности медного шлака от времени выдержки. Определена скорость протекающей реакции синтеза слоя SiC в процессе ХТО. Установлено значение константы скорости реакции и времени полупревращения SiC.
1.4 Определена эффективная мощность диффузионного источника, позволяющая устанавливать продолжительность синтеза диффузионного слоя карбида кремния на поверхности частицы медного шлака.
На основе метода регистрации изменения веса после ХТО определено время начала накопления активированных атомов углерода в поверхности медного шлака с образованием активных комплексов SiC в зависимости от мощности диффузионного источника. Установлено время установившегося процесса диффузии атомов углерода через слой углерода с последующим ростом слоя SiC за счет «реакционной диффузии».
1.5 Разработаны технологические операции и способ контроля создания устойчивых межатомных связей между атомами углеродсодержащего вещества и материала частицы медного шлака, исходя из значений поверхностной энергии, которая характеризует твердость и прочность абразивного материала, оказывает существенное влияние на его механические характеристики.
Определена прочность связи двух соприкасающихся фаз по значению энергии адгезии, по которому определена величина модуля Юнга. Измерение краевого угла смачивания позволило получить данные об энергетическом состоянии приповерхностных молекул частицы медного шлака. Получено выражение для определения средней энергии адгезии. Разработан способ контроля создания устойчивых межатомных связей между атомами углеродсодержащего вещества и материала частицы медного шлака, исходя из значений поверхностной энергии.
1.6 Получены зависимости парного взаимодействие молекул углеродсодержащего вещества и материала частицы медного шлака, что позволит рассчитать энергетическое состояние молекул на поверхности частицы и определить прочность нового абразивного материала.
На основе сопоставления нотаций Фойгта для линейно упругих однородных изотропных материалов и, используя нелинейный дисперсионный закон для плоских продольных и поперечных волн в однородном изотропном упругом материале, определен потенциал парного взаимодействия частиц материала медного шлака в форме Морзе, что позволило через параметры Ламэ получить выражения для определения величины модуля Юнга и коэффициента Пуассона синтезированного абразива. Определена зависимость парного взаимодействия молекул углеродсодержащего вещества и частицы медного шлака.
2. Зависимости производительности и глубины гидроабразивной резки металлических, композиционных и сотовых материалов от физико-механических свойств нового абразивного материала повышенной прочности.
2.1 Получены зависимости производительности гидроабразивного резании от физико-механических характеристик различных образцов абразива с синтезированным диффузионным слоем карбида кремния на поверхности.
Получена регрессионная зависимость производительности гидроабразивного резании от прочности абразива с синтезированным SiC слоем. Установлено, что скорость гидроабразивного резания растет с ростом прочности абразива и его диаметра.
2.2 Сделано заключение о влиянии режимов химико-термической обработки частиц медного шлака на прочность при гидроабразивном резании.
По результатам механических испытаний установлено влияние времени выдержки при ХТО на прочность синтезированного абразива, определяющего эффективность гидроабразивного резания.
2.3 Определена зависимость максимальной глубины гидроабразивного резания от физико-механических характеристик различных образцов абразива при одинаковых настройках режимов обработки: расхода абразива, давления истечения струи, диаметра сопла.
Получена регрессионная зависимость максимальной глубины гидроабразивного резания от прочности абразива с синтезированным SiC слоем, что позволило определить наилучшие режимы ХТО.
2.4 Сделан анализ максимальной глубины резания различными вариантами синтезированного абразива при обработке металлических, композиционных и сотовых материалов.
Анализ максимальной глубины резания абразивами с синтезированным SiC слоем, позволил выделить приемлемые диапазоны изменений режимов гидроабразивного резания металлических, композиционных и сотовых материалов. Отмечается линейное увеличение глубины резания с повышением прочности абразива и снижение при росте скорости резки.
2.5 Проведен анализ поверхности реза и продуктов разрушения, что позволит дать оценку сформированной прочности абразива и его режущих возможностей.
Анализ поверхности реза по значениям ширины верхнего, нижнего реза, конусности и шероховатости позволил определить оптимальные режимы ХТО абразива, обеспечивающие наилучшие параметры качества обработанной детали. На основе анализа продуктов разрушения определено время выдержки абразива при ХТО, обеспечивающее наилучшие режущие возможности гидроабразивной струи.
2.6 Проведен анализ динамической прочности частиц абразива с синтезированным диффузионным поверхностным слоем карбида кремния при разных химико-термических режимах обработки.
Определено влияние режимов ХТО на динамическую прочность частиц медного шлака с синтезированным SiC слоем, что позволило определить оптимальное время выдержки абразива.
2.7 Определена разрушаемость (хрупкость) частиц медного шлака с диффузионным SiC слоем при знакопеременных условиях ударного взаимодействия.
На основе оценки разрушаемости медного шлака с диффузионным SiC слоем в шаровой мельнице, определено оптимальное время насыщения, обеспечивающее минимальное разрушение абразива при гидроабразивном резании.
Публикации
1. Барсуков Г.В., Журавлева Т.А., Кожус О.Г. Study of the effect of heat treatment of copper slag particles on abrasiveness for abrasive waterjet cutting International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2023, 129(9-10), страницы 4293–4300 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1007/s00170-023-12587-4
2. Барсуков Г.В., Фроленкова Л.Ю., Кожус О.Г., Петрухин А.В., Бобрик А.В. Study of the crystal structure of copper slag particles after heat treatment for waterjet cutting AIP Conference Proceedings, Volume 2911, Issue 1, 020015 (2023) (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1063/5.0163415
3. Барсуков Г.В., Шоркин В.С., Фроленкова Л.Ю., Журавлева Т.А., Кожус О.Г., Прасолов Е.А. Исследование твердости абразива с диффузионным слоем карбида кремния для гидроабразивного резания по значениям поверхностной энергии Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, №3(359). С. 68-76 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.33979/2073-7408-2023-359-3-68-76
4. Г.В. Барсуков, А.Л. Галиновский,Т.А., Журавлева О.Г. Кожус Разработка схемы и методики получения карбидов кремния в поверхностном слое частицы медного шлака для гидроабразивного резания Журнал «Все материалы. Энциклопедический справочник», 12,2023, 25-33 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31044/1994-6260-2023-0-12-25-33
5. Г.В. БАРСУКОВ, А.С. ТАРАПАНОВ, Т.А. ЖУРАВЛЕВА, О.Г. КОЖУС, Е.А. ПРАСОЛОВ, А.В. ПЕТРУХИН Разработка технологии и технологических принципов повышения прочности частиц медного шлака для гидроабразивного резания Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, № 6 (362) 2023, с. 61-68 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.33979/2073-7408-2023-362-6-61-68
Возможность практического использования результатов
Результаты выполнения проекта позволяют преодолеть возникший технологический предел в развитии технологии гидроабразивного резания за счет получения нового абразивного материала на базе полученных знаний в области физико-химических явлений, возникающих в процессе формирования на поверхности частицы медного шлака диффузионного слоя карбида кремния. Данная работа направлена на решение конкретных задач, определенных в рамках Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации в области создания новых материалов. Практическая реализация проекта способствует формированию в России нового направления опережающего технологического развития, конкурентоспособного как на внутреннем, так и на мировых рынках производства абразивного материала повышенной прочности для гидроабразивного резания.