Наномодификатор как инструмент генной инженерии структурного состояния расплава чугуна.
Давыдов С. В.
Сборник докладов Литейного консилиума №1 «Модифицирование как эффективный метод повышения качества чугунов и сталей» -
Челябинск: Челябинский Дом печати, 2006.
С позиций фуллереновой природы жидкого чугуна проанализировано влияние поверхностно-активных
элементов Vа и VIа подгрупп таблицы Менделеева на процессы модифицирования и кристаллизации чугуна. Показано,
что жидкий чугун является однофазной системой и представляет собой углеродно-железистый полимер, к структурным базовым
элементам которого относятся фуллерены и углеродные наночастицы на их основе. Разработана структурно-масштабная
организация железоуглеродистого расплава и предложена новая классификация процессов модифицирования. На базе выполненных исследований
разработана технология наномодифицирования расплава чугуна.
Управление структурным состоянием расплава чугуна, а, следовательно, и процессом формирования заданных свойств при кристаллизации,
осуществляется в практике литейного производства за счет следующих внешних воздействий: обработка расплава чугуна в процессе плавки
(термовременная выдержка, обработка ультразвуком, электромагнитным полем и т.д.); модифицирование, легирование,
рафинирование и т.д.
Наиболее эффективным, гибким и универсальным процессом является модифицирование расплава различными типами модификаторов
и лигатур. Однако проявление модифицирующего эффекта ограничивается температурой расплава перед модифицированием. Нижний
температурный предел модифицирования, как показывает практика, находится в пределах 1340…1360°С. Данный температурный предел
позволяет разделить расплавы чугуна на низкотемпературные – 1200…1320°С (доменный и ваграночный чугун) и высокотемператрурные –
1380…1400°С и выше (электроплавка и «дуплекс-процесс» вагранка+миксер)...
<<...>>
... В настоящее время научная база знаний о формах графита (углерода) в расплавах чугуна значительно расширилась и
особо следует рассмотреть взаимодействие ПАЭ с фуллеренами и углеродными наночастицами на основе фуллеренов [4-7].
Существующая кластерная теория строения расплавов не может в полной мере раскрыть механизм влияния и
воздействия ПАЭ на процессы структурообразования как в твердом, так и в жидком состоянии. Кластер, по определению,
не имеет поверхности раздела, связан с маточным расплавом, и его невозможно выделить из системы. Следовательно, в системе
не существует межфазной поверхности раздела кластер-расплав, на которую могли бы осаждаться ПАЭ.
Одним из свойств фуллеренов, которое кардинально изменяет взгляды на структуру жидкого чугуна, является наличие
физической поверхности раздела фуллерен – расплав со всеми термодинамическими параметрами, присущими фазовым поверхностям
раздела, что открывает возможности объяснения целого ряда явлений при модифицировании и кристаллизации расплавов чугуна [4,6].
Фуллерены относятся к так называемым фрактальным кластерам, как единичным наноструктурным элементам, формирующим
структурную фрактальную основу расплавов. В настоящее время образование фрактальных кластеров обнаружено практически у
всех жидких металлов, а также в чугунах и сталях [6]. Под фракталами понимают масштабно-инвариантные объекты или системы,
сохраняющие неизменными свои структуры при изменении масштаба их рассмотрения. Фрактальные (или самоподобные) структуры
возникают в открытых системах, находящихся в условиях протекания диссипативных процессов и склонных к самоорганизации. Движущей
силой образования фрактальных диссипативных самоорганизующихся структур является стремление системы к снижению свободной энергии.
Принцип минимума производства энтропии, как и свободной энергии, позволяет системе при изменении энергетической обстановки
в качестве ответной реакции самоорганизовывать такую структуру, которая соответствовала бы минимуму энтропии в системе. Именно
такие самоорганизованные структуры и получили название диссипативных структур в открытых динамически неравновесных системах [7,8].
Формирование фрактальных структур осуществляется из кластеров, имеющих размеры от (2…10) нм и состоящих из не менее
(102…105) атомов [7,8].
Фуллереновые наночастицы могут быть нескольких типов [4,5]:
- наночастицы с оболочечной структурой фуллерена (форма многогранника), центральная внутренняя полая часть которой наполнена
кристаллом металла или карбида металла, как правило, типа МС2.
- наночастицы сферической формы (диаметром 30…200 нм) с ядром из карбида металла, которые покрыты несколькими или
несколькими десятками графитных слоев, не образующих замкнутых оболочек. Получены наночастицы с ядрами из карбида кобальта,
карбида железа, карбида никеля.
- наночастицы различной формы из никеля, кобальта и железа, покрытые тонкой пленкой из аморфного углерода или
графитовых слоев, не образующих замкнутых оболочек.
Выполненные исследования [9,10] показали, что углерод способен к формированию различных полимерных структурированных
образований, от плоских полициклических кластеров до объемных фуллереновых наночастиц, на любом масштабном уровне системы. Углерод
обладает фактически неограниченными возможностями диссипации энергии в открытых динамически неравновесных системах различного
класса с образованием адаптированных диссипативных самоорганизующихся иерархических структур на базе фуллеренов с магическими
числами и других углеродных образований...
<<...>>
... Наномодификатор эффективно влияет на кристаллизацию не только графитной фазы, но и на фосфидную эвтектику,
и на первичное зерно чугуна, и на фазу неметаллических включений, активизируя последнюю в качестве дополнительных
гетерогенных центров графитизации. Наномодифицирование носит единый и всеобщий характер воздействия как на жидкий, так и
на кристаллизующийся чугун, независимо от его предыстории. Другой важнейшей особенностью наномодифицирования является его
низкая чувствительность к значительным колебаниям химического состава расплава чугуна и к способам плавки, а также подавление
проявления «наследственности» шихтовых материалов в структуре чугунной отливки, поскольку ПАЭ, входящие в состав модификатора,
воздействуют избирательно на формирование структуры чугуна и структурообразование при его кристаллизации. Также наномодифицирование
противодействует явлению увядания инокулирующего эффекта в процессе выдержки расплава в ковше перед заливкой формы, что увеличивает
технологический цикл живучести расплава чугуна...>>
Здесь представлено несколько отрывков статьи:
Давыдов С. В. Наномодификатор как инструмент генной инженерии структурного состояния расплава чугуна –
Сб.докладов Литейного консилиума №1 «Модифицирование как эффективный метод повышения качества чугунов и сталей» -
Челябинск: Челябинский Дом печати, 2006 - с. 40
Ознакомиться с полным текстом
статьи в формате TIF; 1,08 МБ >>>
Перейти к разделу "Статьи"
|
