Получение порошковых и объемных материалов на основе тугоплавких соединений вольфрама из минеральных и вторичных ресурсов (26.12.2011)

Автор: Ершова Татьяна Борисовна

ЕРШОВА ТАТЬЯНА БОРИСОВНА

Получение порошковых и объемных материалов на основе тугоплавких соединений вольфрама из минеральных и вторичных ресурсов

05.16.09 – Материаловедение (машиностроение)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Пермь - 2012 Работа выполнена в УРАН Институте материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения Российской академии наук.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Верхотуров Анатолий Демьянович

Официальные оппоненты член-корреспондент РАН

доктор химических наук, профессор

Холькин Анатолий Иванович

(г. Москва)

доктор технических наук

Лебедев Михаил Петрович

(г. Якутск)

доктор технических наук

Порозова Светлана Евгеньевна

(г. Пермь)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Защита состоится « » февраля 2012 года в часов на заседании диссертационного совета Д212.188.02 в Пермском национальном исследовательском университете по адресу 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29, E-mail:usu@pstu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО Пермского национального исследовательского университета.

Автореферат разослан « » января 2011 года

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Е.А. Кривоносова

Актуальность работы.

Развитие современной науки и техники тесно связано с разработкой и получением новых материалов, повышением их свойств, снижением стоимости промышленного производства, возможности их многократной утилизации и регенерации, особенно в условиях истощения невозобновляемых источников сырья, в частности вольфрамового сырья, значительная доля которого приходится на производство твердых сплавов, быстрорежущих сталей, легированных сталей, покрытий. С задачами разработки и получения материалов тесно связаны проблемы разработки ресурсосберегающих и экологически чистых процессов их получения. При этом существуют два основных подхода к получению материалов из сырьевых ресурсов: селективное извлечение элементов с дальнейшим получением веществ и материалов из них и комплексная переработка сырья с максимальным использованием большинства входящих в него элементов и получением композиционных материалов, которые в большинстве случаев представляют собой гетерогенную композицию нескольких компонентов, состоящих из различных классов химических соединений. Применительно к материалам инструментального назначения - это порошки, компактные материалы и покрытия на основе тугоплавких соединений вольфрама.

Использование минерального сырья и вторичных отходов расширяют сырьевую базу вольфрамовой промышленности, позволяют улучшить экологическую и экономическую составляющие получения материалов, что вписывается в современную парадигму развития сырьевой базы и обеспечивает устойчивое развитие ресурсодобывающих регионов. Процессы комплексной переработки минерального, техногенного сырья и отходов производства, в частности, вольфрамового, предлагаются к рассмотрению в рамках минералогического материаловедения, изучающего получение целевых продуктов или промпродуктов на стадии добычи, обогащения и переработки различных сырьевых ресурсов. Получение таких целевых продуктов возможно осуществить на малых дробных предприятиях в одну-две технологические операции, используя концентрированные потоки энергии (лазерное излучение, воздействие сильных электрических и магнитных полей, плазменные методы и др.), методы порошковой металлургии, металлотермии. Это направление активно развивается в Институте материаловедения ХНЦ ДВО РАН.

Работы ведущих ученых в области комплексного использования сырья (А.Е. Ферсмана, И.Б. Бардина, А.Д. Верхотурова, Ри Хосена, Э.Г. Бабенко, Калинникова В.Т. и др.) легли в основу создания ферросплавов, сварочно-наплавочных материалов, композиционных порошков. Однако проблема использования минерального, техногенного сырья и отходов производства непосредственно для получения композиционных порошков и других продуктов различного назначения еще далеко не решена и требует своего методологического подхода, обеспечивающего получение целевых веществ и материалов из них. Работа выполнялась в рамках фундаментальных исследований по госбюджетной тематике «Создание научных основ и разработка новых материалов на основе тугоплавких соединений при использовании минерального сырья Дальнего Востока», (№ гос. регистрации 01.9.60001427 в 1996-2000г.), «Разработка и получение функциональных материалов и покрытий с использованием минерального сырья и исследование их свойств» (№ гос. регистрации 01.2.00 106190 в 2003–2005 г.), по гранту РФФИ «Разработка физико-химических основ и создание износостойких материалов на основе электроэрозионных порошков твердого сплава» (№ 04-022-97001), по Программе Отделения химии и наук о материалах РАН–«Научные основы применения минерального сырья в электротермических процессах сварки и наплавки для получения швов и покрытий различного назначения», по гранту РФФИ «Методологические, физико-химические и технологические основы разработки и получения слоистых материалов на поверхности вольфрамсодержащих твердых сплавов и оксидной керамики (№ 06-03-96001), инновационному проекту ДВО РАН «Переработка компактных отходов твердых сплавов методами диспергирования и получение изделий из регенерированных вольфрамкобальтовых порошков» (№ 20-ИН-07), по Программе Президиума РАН «Научные основы получения порошковых и объемных наноструктурных материалов из тугоплавких соединений и исследование их свойств» (09-I-П18-01) соответствует Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, к которым относится «Рациональное природопользование», и в Перечне критических технологий Российской Федерации – «Технологии создания и обработки композиционных и керамических материалов», «Технологии переработки и утилизации техногенных образований и отходов».

Целью исследования является разработка методологических, физико-химических, технологических и технических аспектов получения композиционных порошковых и объемных материалов на основе тугоплавких соединений вольфрама с прогнозируемым составом и свойствами из сырьевых, техногенных и вторичных ресурсов вольфрама, расширяющих сырьевую базу вольфрамовой промышленности, снижающих себестоимость получения порошковых материалов и экологическую нагрузку.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

Разработка методологической схемы создания функциональных материалов на основе тугоплавких соединений из минерального, техногенного и вторичного сырья вольфрама и физико-химических критериев прогнозирования состава и свойств разрабатываемых конечных продуктов, полученных при действии на вещество высоких температур, давлений, ударных и истирающих нагрузок, электрических разрядов, потоков электронов, ионов и др. воздействий.

Исследование закономерностей получения порошков тугоплавких соединений вольфрама при углетермическом восстановлении кислородсодержащих соединений вольфрама, вольфрамсодержащего минерального сырья и промпродуктов, при механохимической обработке.

Исследование закономерностей получения порошков тугоплавких соединений вольфрама при воздействии на компактные твердые сплавы, в том числе вторичные отходы, низковольтных электрических разрядов, градиента температур, ударных нагрузок.

Определение области практического использования неорганических материалов, полученных непосредственно из многокомпонентных минеральных ассоциаций и вторичных ресурсов, и эксплуатационные свойства материалов из них.

Разработка технологических схем использования минерального, техногенного и вторичного сырья вольфрама для получения материалов различного назначения.

Научная новизна:

1. Предложена и экспериментально подтверждена методологическая схема создания композиционных материалов (в том числе порошков) на основе тугоплавких соединений из сырьевых и вторичных ресурсов вольфрама, основанная на анализе структурных составляющих «сырье (минеральное, техногенное, вторичное) - технология (высокоэнергетическое воздействие) – целевые продукты (композиционные порошки или промпродукты) – области применения – материал (изделия, покрытия).

2. Предложены физико-химические критерии получения композиционных порошковых материалов заданного состава, определяемые характером изменения химического потенциала (энергии Гиббса - ? ?,), временем взаимодействия, фазовой устойчивостью компонентов (энтальпии образования ? Н), величиной теплового потока.

3. Проведено моделирование процессов углетермического восстановления природных минералов вольфрама, предложен критерий в виде неравенства Е ? Еа (Е - плотность мощности, Вт/см2, Еа – энергия активации, КДж/моль), позволяющий проводить количественные энергетические оценки возможности проведения тех или иных реакций восстановления при различных высокоэнергетических процессах.


загрузка...