Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Нанодисперсные и гранулированные материалы, полученные в импульсной плазме

..pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
19.11.2023
Размер:
29.29 Mб
Скачать

карбида вольфрама должна быть ближе по составу к стехиометрическому. Ме­ тодом высокотемпературного рентгеновского анализа определены структура и область гомогенности P-WC0i6-i,o- В данной методике синтеза карбидов в им­ пульсной плазме скорость закалки составляла 107...108 град/с, что приводило к получению p-WC.

Содержание, % масс.

Рис. 3.39. Изменение фазового состава продуктов взаимодействия WO3 и сажи в водороде от числа импульсов (Unр = 2,5...3,0 кВ; Р = 10...12 кВт)

Полученный в импульсной плазме из W03 и сажи (3-WCпроверяли на темпе­ ратурную стабильность. Продукт с содержанием 73% масс. p-WC отжигали в ва­ кууме при температурах 400, 600, 800, 1000, 1200, 1600 и 2000 °С в течение 2 ч (рис. 3.40, кривая 1). Как видно из рисунка, начиная с 800 °С, происходило превращение p-WC в a-WC и W2C. Так как в продукте содержалось около 1 % масс, свободного углерода, то после высокотемпературного отжига выше 1200 °С образовывался только a-WC. После отжига при 2000 °С продукт состо­ ял из 95 % a-WC и 5 % остаточного p-WC. На рис. 3.41 представлена фотогра­ фия исходного карбидного продукта, а на рис. 3.42 и 3.43 —тот же продукт пос­ ле отжига при 2000 °С. После отжига заметно изменился внешний вид частиц. Это изменение можно объяснить переходом метастабильной при 2025 °С фазы p-WC в a-WC в присутствии свободного углерода.

/#/

Содержание, % масс.

400 800 1 2 0 0 1600 2 0 0 0

Т, С

Рис. 3.40. Изменение фазового состава карбидного продукта от температуры отжига в вакууме (время выдержки 2 ч ):/ — WO3 + C ; 2 W +C

Образовавшиеся частицы a-WC сохранили общую сферическую форму, но с четким выходом ограненных кристаллов на поверхность. Процесс превраще­ ния р -> a связан с началом диффузии атомов углерода при 800 °С . Известно, что заметная диффузия углерода в карбиде вольфрама начинается около 1000 °С [3.74, 3.75]. В данном случае переход из одной модификации в другую начинался при 800 °С, поскольку для перестройки решетки одного карбида в другой атомам углерода надо преодолеть небольшие расстояния, соответствую­ щие периоду решетки, для изменения взаимного расположения гексагональ­ ных слоев [3.76].

Гранулометрический состав частиц после отжига также изменился, что хоро­ шо видно из рис. 3.41—3.44. После отжига продукта при 2000 °С происходило за­ метное измельчение частиц: кривая дифференциального распределения смеща­ лась в сторону меньших диаметров, и номинальный диаметр частиц уменьшил­ ся с 65 до 45 мкм. Установленная рентгеновским методом плотность стехиомет-

п г

жига микротвердость частиц составила 19,6...21,6 ГПа/мм2, а структура матери­ ала отвечала гексагональному монокарбиду вольфрама.

F(d)—AQ/Ad

Рис. 3.44. Гранулометрический состав карбидного продукта, полученного в термостатированном при 20°С реакторе из смеси W 03+C в водороде (I); тот же продукт после отжига в вакууме при 2 0 0 0 °С (2); f[d) — функция дифференциального распределения

В случае необходимости получения сферических частиц карбида вольфрама a-W C следует предотвращать образование метастабильного (3-WC. Достигнуть этого можно проведением процесса в термостатированном реакторе при темпе­ ратурах выше 800 °С.

При термостатировании реакционного объема при 950 °С полученные час­ тицы карбида после отжига при 2000 °С не изменяли своей формы и размеров. Кривая дифференциального распределения имела максимум на частицах раз-

ется более высокий. За 10 тыс. импульсов в метане содержание фазы P-WCв сме­ си с двукратным избытком сажи достигало 85 %, а в водороде —только 48 %.

Содержание, % масс.

Рис. 3.49. Карбидизация вольфрама в водороде в охлаждаемом реакторе: 1 —стехиометрический состав смеси для получения WC; 2 —двукратный избыток сажи; 3 —трехкратный избыток сажи

В результате проведенных экспериментов установили, что выход высокотем­ пературной кубической модификации монокарбида вольфрама в восстанови­ тельном процессе и при прямом синтезе различен. Это свидетельствует о раз­ личной стабильности p-WC, связанной с различием в протекании процессов. По-видимому, наличие значительного количества кислорода в восстановитель­ ном процессе стабилизирует кубическую решетку монокарбида в переходных структурах. В работах [3.77,3.78] изучали процесс получения карбидных покры­ тий из карбида вольфрама с применением в качестве стабилизатора паров W03. Период решетки а = 4,24 А совпадает с величиной для кубической модифика­ ции карбида вольфрама, полученной нами в восстановительном процессе из W03 и сажи (4,236 А). Установленные величины оказались завышенными и го­ ворят о том, что полученные соединения не являются чистым ГЦК-карбидом.

Содержание, % масс.

Рис. 3.50. Карбвдизация вольфрама в метане в охлаждаемом реакторе: 1 — исходный порошок вольфрама; 2 — стехиометрическая смесь на получение WC ; 3 —двукратный избыток сажи

Условия получения этого карбида таковы, что, по-видимому, образуется оксикарбид вольфрама с более высокой стабильностью, чем чистая фаза p-WC.

Проведение относительно длительной импульсной плазменной обработки в восстановительном процессе не приводило к распаду кубического оксикарбида p-W—О—С, что имело место для чистого p-WC при прямом синтезе из элемен­ тов в импульсном плазмохимическом реакторе. В процессах прямого синтеза начиная с 7...10 тыс. разрядов наступало разложение P-WC, что связано с актив­ ным протеканием сфероидизации карбидных частиц. С одновременным оплав­ лением частиц проходил распад частиц p-WC на W2C и a-WC, что подтвержда­ ется экспериментальными кривыми на рис. 3.49 и 3.50 после 10 тыс. импульсов. Если в шихте находился избыток углерода, то это оказывало существенное вли­ яние на выход высших карбидов при конденсации паров вольфрама и углерода. Но остановить процесс распада p-WC при оплавлении не удавалось даже дву­ кратным избытком сажи сверх стехиометрического состава.

Химический анализ показал, что при прямом синтезе состав высокотемпе­ ратурной модификации монокарбида вольфрама соответствовал формуле WQ,60.0,70, а ПРИ восстановительной карбидизации WC0>85-o,95- Содержание кис­ лорода в первом случае —0,01, а во втором - 0,07...0,08 % масс.

Стабилизация кубической структуры монокарбида вольфрама кислородом в рамках конфигурационной модели, разработанной Г.В. Самсоновым с сотруд­ никами [3.79, 3.49], объясняется следующим. В карбиде вольфрама имеют наи­ больший статистический вес ^-конфигурации вольфрама, и донорная способ­ ность их настолько мала, что стабилизация .^-конфигураций углерода незна­ чительна или даже образуется ^-конфигурация, что вызывает переход куби­ ческой структуры WC в гексагональную. С ростом температуры возможно уси­ ление локализации валентных электронов у атомов вольфрама и их делокализа­ ция за счет нарушения ^-конфигураций углерода. Однако если уменьшить концентрацию атомов углерода в решетке (3-WC при высокой температуре для сокращения доли нелокализованных электронов, образующихся при распаде ^-конфигураций, то закалкой можно зафиксировать кубическую структуру p-Wi.x. Введение кислорода уменьшает количество нелокализованных электро­ нов за счет образования ^-конфигураций кислорода, что дает возможность стабилизировать ^реконфигурации углерода и увеличить его содержание в оксикарбиде по сравнению с (3-WCj.^.

Термостатирование реакционного объема до 950 °С приводит к распаду p-WC еще в реакторе. В этом случае получить содержание связанного углерода более 4,5 % масс, не удавалось. При проведении отжига карбидных сфер при 2000 °С происходило их науглероживание, если в продукте имелся свободный углерод.

Эксперименты по получению карбидов вольфрама в импульсной плазме конденсаторного разряда показали, что при соответствующем подборе режима импульсной обработки, состава исходной шихты, плазмообразующего газа можно получить сферические порошки карбидов P-WC, a-WC и W2C.

Для оценки возможности получения гранулированных тугоплавких карби­ дов в импульсной плазме конденсаторного разряда проводили исследования по восстановлению диоксида титана углеродом. Шихту, состоявшую из смеси диоксида титана и сажи, подвергали обработке импульсами водородной плаз­ мы в кипящем слое. Пробивное рабочее напряжение составляло около 3 кВ, а импульсы плазмы подавались с частотой 8...10 Гц. В обработанном продукте рентгенофазовым анализом бьши найдены оксиды титана: Ti30 5, Ti20 3 и TiO, а также титан и его карбид. Кроме этих опытов провели восстановление ших­ ты диоксида титана с углеродом в водородной плазме в присутствии паров че­ тыреххлористого углерода. В этих опытах водород перед подачей в реактор на­ сыщали парами СС14 при комнатной температуре. Как показали эксперимен­ ты, в присутствии углерода окончательным продуктом обработки оказался карбид титана. В этом случае сажа добавлялась через 10 тыс. импульсов для полноты протекания процесса карбидообразования. Надо отметить, что вве­ дение четыреххлористого углерода ускоряло процесс восстановления и карби-

дизации, что связано, по-видимому, с хлорированием оксидов [3.43, 3.77] с последующим восстановлением четыреххлористого титана до металла или карбида.

Полученные частицы карбида титана представляли собой оплавленные по­ ристые сферы размером от 20 до 120 мкм, а их микротвердость составляла 24,5...27,4 ГПа/мм2 и указывала на дефицит углерода в карбиде титана. Количе­ ство связанного углерода составляло 15... 16 % масс., что заметно отличается от стехиометрического состава.

Изучение некоторых свойств порошкообразных частиц металла, получен­ ных в плазме импульсного конденсаторного разряда, позволило сделать пред­ положение о механизме образования частиц гранулированных металлов. Так, при рассмотрении изменения насыпных масс продуктов восстановления триоксида вольфрама установлено, что одновременно с увеличением насыпных масс происходило изменение содержания металла в зависимости от условий эксперимента (рис. 3.51).

Уме) Г/см3

Рис. 3.51. Изменение насыпных масс порошкообразных продуктов в зависимости от условий экспери­ мента: расход водорода 5 л/мин —3, 4; 10 л/мин —1, 2, 5; энергия импульсного разряда 1,5 кВ —5; 2,5 кВ —2—4; 4 кВ — с измельчением 1—3,5; без измельчения —4