научная статья по теме ФАЗООБРАЗОВАНИЕ ПРИ СИНТЕЗЕ КЕРМЕТА НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ NIO–FE 2О 3–CU 2О–CU Физика

Текст научной статьи на тему «ФАЗООБРАЗОВАНИЕ ПРИ СИНТЕЗЕ КЕРМЕТА НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ NIO–FE 2О 3–CU 2О–CU»

РАСПЛАВ Ы

20135

УДК 669.018.95.091:669.017.3

© 2013 г. А. Н. Мансурова1, В. М. Чумарев, Е. Н. Селиванов, Р. И. Гуляева, Ю. П. Зайков, В. А. Ковров

ФАЗООБРАЗОВАНИЕ ПРИ СИНТЕЗЕ КЕРМЕТА НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ М0-Ре203-Си20-Си

Изучено влияние механоактивации оксидных шихт №0—Ре203—Си20 и ультрадисперсной меди на фазовый состав, микроструктуру и термические свойства кер-метов для нерасходуемых анодов производства алюминия.

Ключевые слова: кермет, оксиды, медь, механоактивация, шпинель, фазообразо-вание, инертный анод.

Металлокерамические материалы (керметы) на основе шпинели №Ре204 обладают высокой коррозионной стойкостью в солевых галогенидных расплавах, поэтому они перспективны для изготовления нерасходуемых анодов алюминиевых электролизеров [1—3]. Из ранее исследованных, наиболее стойким и обладающим необходимой электропроводностью считают композит на основе никель-ферритной шпинели с избыточным (до 10 мас. %) содержанием N10 и добавкой 20 мас. % Си [4, 5]. Основной проблемой, препятствующей коммерциализации инертных анодов, является высокая скорость коррозии предлагаемых материалов в криолит-глиноземных расплавах и загрязнение алюминия продуктами их коррозии. Снижение температуры электролиза может расширить круг предлагаемых материалов и увеличить их ресурс [6]. Для оптимизации работы электролизеров и оксидно-металлических анодов предложено использовать солевые расплавы КР—ЛШ3 [6] и КР—№Р—Л1Р3 [7], обладающие пониженной температурой плавления при высокой растворимости в них глинозема.

Необходимость изучения процессов фазо- и структурообразования при синтезе керметов обоснована поиском возможностей повышения служебных характеристик материала для производства анодов. Один из методов воздействия на структуру керме-тов — их допирование и наноструктурирование металлами и оксидами [8, 9]. Механо-химическая активация смесей [10], как подготовительная операция шихт перед формовкой (брикетированием) и термической обработкой металлооксидной керамики, ведет не только к измельчению исходных компонентов до наноразмерного состояния, но и ускоряет физико-химические превращения, протекающие при спекании оксидов, способствует наноструктурированнию керметов. Наряду с этим, улучшение свойств композиционных материалов предлагается вести путем их допирования [11] оксидами хрома(Ш) и меди(1) и (или) наноструктурированными оксидами [8, 9].

В настоящей работе изложены результаты изучения влияния механоактивации шихт на фазообразование при синтезе кермета на основе никель-ферритной шпинели, допированной оксидом меди(1) с добавками порошков меди.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Для синтеза образцов керметов использованы оксиды никеля(11), меди(1) и железа(Ш) квалификации (Ч) и (ЧДА), а также порошки электролитической меди (ПМС-1, крупность менее 0.1 мм) и ультрадисперсной меди (ПМВД-0, получен конденсацией из па-

1рст1аЪ@ша11.ги.

Таблица 1

Состав исходных шихт, максимальные температуры неизотермического нагрева и фазовый состав полученных образцов

№ образца Состав шихты, мас. % T, °C Фазовый состав Параметры элементарной ячейки NiFe2O4

NiO Fe2O3 Cu2O Cu а, нм V, нм3

1 18.8 51.8 9.4 20.0 1200 NiFe2O4, Cu, CuFeO2, Cu2O 0.834 0.581

2 18.8 51.8 9.4 20.0 1350 NiFe2O4, Cu, Cu2O, CuFeO2 0.835 0.582

3 18.8 41.2 20.0 20.0 1200 NiFe2O4, Cu, Cu2O 0.835 0.582

4 18.8 41.2 20.0 20.0 1350 Cu, NiFe2O4, CuFeO2, Cu2O 0.834 0.581

5 23.5 64.75 11.75 - 1200 NiFe2O4, Cu, CuFeO2, Cu2O 0.835 0.583

6 18.8 51.8 9.4 20.0** 1200 NiFe2O4, Cu, CuFeO2, Cu2O 0.835 0.582

7* 18.8 51.8 9.4 20.0** 1200 NiFe2O4, Cu, CuFeO2, Cu2O 0.835 0.583

8* 23.5 64.75 11.75 - 1200 NiFe2O4, CuFeO2, Cu, Cu2O (следы) 0.835 0.583

* Механоактивированная шихта. ** Медь ультрадисперсная.

рогазовой фазы, крупность до 3 мкм). Смеси оксидов с заданным соотношением компонентов подвергали механоактивации на планетарной мельнице АГО-2 при ускорении 40 g в среде воздуха. Продолжительность активации варьировали в пределах 0.5— 17.5 мин. Смеси оксидов для приготовления образцов керметов для электролизных испытаний измельчали на мельнице "Пульверизетте" FRITSH в течение 7 ч. К навеске механоактивированных оксидов добавляли порошок меди и тщательно перемешивали. Полученные таким путем смеси прессовали при давлении 10 МПа в цилиндрические таблетки диаметром 20 мм, а также при давлении 500 МПа в параллелепипеды 10 х 10 х 80 мм. Образцы помещали в аллундовые кюветы и нагревали в изотермических условиях (700—1350°C) в муфельной печи ПВК-1.4-8 в токе гелия в течение 30 мин. Составы исследуемых смесей и условия синтеза образцов приведены в табл. 1.

Фазообразование при синтезе керметов из механоактивированных и неактивированных смесей изучали методами рентгенофазового анализа (РФА) и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). Термический анализ образцов проведен на термоанализаторе NETZSCH STA 449C Jupiter при скорости нагрева 10°С/мин. Фазовый анализ образцов кермета выполнен на дифрактометре ДР0Н-2.0. Элементный состав фаз определен методом рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) на энергодисперсионном спектрометре INCA Energy 200 и электронном растровом микроскопе JSM-5900LV.

Оценка стойкости кермета в высокотемпературном солевом расплаве проведена методом электролиза в открытой трехэлектродной ячейке с вертикальными электродами. Анод прямоугольной формы 10 х 10 х 80 мм погружали в расплав на глубину 30 мм, при этом площадь погруженной части составляла 13 см2. Катодами служили две вертикальные пластины из TiB2, расположенные по обе стороны анода на расстоянии 2.5 см, с токоподводами из нихромовых стержней (d = 5 мм). Контейнером для расплава служил алундовый тигель (h = 120 мм, d = 80 мм).

Электролит (мас. %) 12.0 №Б—36.8 КБ—51.2 АШ3 с мольным криолитовым отношением + КР]/[АШ3], равным 1.5 (800°С), готовили из химически чистых фторидов. Глинозем технической чистоты, добавляли в расплав электролита. Температуру расплава (800°С) контролировали с помощью термопары ПП-1 и поддерживали с точностью ±1.5%. Масса электролита для эксперимента 500 г.

Электролиз вели в гальваностатическом режиме при анодной плотности тока 0.4 А • см-2. Необходимое содержание Л1203 в расплаве (около 6 мас. %) поддерживали добавками глинозема через каждый час работы электролизера. В течение эксперимента регистрировали ток и напряжение на электролизере. Потенциал анода, без омической составляющей, измеряли с помощью импульсного гальваностата в момент отключения тока относительно А1-электрода сравнения специальной конструкции [12]. Продолжительность эксперимента составляла 50 ч. По завершению электролиза анод извлекали, взвешивали, определяли размеры и изготавливали шлифы по его поперечному сечению. Структуру композитного анода после опытов изучали рентгеноспек-тральным микроанализом.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Фазовый состав продуктов нагрева смесей №0—Бе203—Си20—Си, предлагаемых для синтеза оксидно-металлических анодов оценен в условиях изотермического обжига при 700—1350°С. На рентгенограммах продуктов взаимодействия смеси (мас. %) 18.8 №0—51.2 Бе203—10 Си20—20 Си выявлены рефлексы, относящиеся к шпинели №Бе204 уже после нагревания до температуры 700°С. Исходные компоненты №0 и Бе203 зафиксированы на рентгенограммах до 850°С, Си20 — до 1100°С. В ходе синтеза керметов происходит образование №Бе204 и СиБе02 по реакциям

N10 + Бе203 = №Бе204, (1)

Си20 + Бе203 = СиБе02. (2)

Интерпретация данных РФА затруднена в связи с наложением дифракционных максимумов исходных компонентов №0, Си20, Си и продуктов взаимодействия №Бе204 и СиБе02.

Согласно данным термического анализа (рис. 1 и 2) с последующим РФА продуктов взаимодействия (табл. 1), нагрев брикетированной смеси оксидов №0, Си20, Бе203 с электролитической медью до 1200—1350°С также сопровождается образованием шпинели №Бе204 и фазы СиБе02.

После механоактивации (АГО-2) смеси (мас. %) 23.5 №0—64.8 Бе203—11.7 Си20 в течение 7.5—17.5 мин установлено образование №Бе204 и СиБе02, а также частичное восстановление Си20 до металла (рис. 2).

Последующий высокотемпературный обжиг смесей (табл. 1), подвергнутых предварительной механоактивации, завершает процессы образования №Бе204 и СиБе02, а также структурообразование образцов.

Механ о активация смесей №0—Бе203—Си20, а также замена электролитического порошка меди на ультрадисперсный, по данным РФА, не оказывают существенного влияния на фазовый состав формирующегося в ходе обжига кермета и параметры элементарной ячейки твердого раствора никель-феритной шпинели. Параметр элементарной ячейки (а) и ее объем (V) для шпинели №Бе204 (кубическая сингония), образующейся в ходе термообработки образцов, остаются практически неизменными. Только для механоактивированной смеси отмечено незначительное (до 3%) увеличение объема элементарной ячейки шпинели.

г -|экзо 1068 Q2 = -36 Дж/г

Q1 = - " / 26 Дж/г 1152

- , 1073v i i

0 -0.2 -0.4 -1.6 -0.8

-1.0

900 -0.2

900

1067 Q2 = - 72 Дж/г

1000

1100

1200

Q2 = - 92 Дж/г

- 1074

- i i i 1179 v i

Qi = - 12 Дж/г -1066 | 1155 Q2 = - 102 Дж/г

1000

1100

1200

T, °C

При сканировании кермета (образец 2) в обратно-рассеянных электронах (BES) установлена его микроструктура (рис. 3) и элементный состав оксидных фаз (табл. 2). Зерна шпинели в кермете имеют геометрическую форму размером около 50 мкм, их состав близок к NiFe2O4. Зерна шпинели окружены неоднородной смесью оксидов пе-

Cu1

,9-2.2

O и

Рис. 1. Термограммы брикетированных смесей 2 (а), 4 (б), 6 (в) и 7 (г).

ременного состава

Си1.4Ре°1.7-2.6-

В образцах керметов из оксидов и ультрадисперной меди, синтезированных путем брикетирования и обжига механоактивированной смеси, выявлены фазы №Бе204, СиБе02, Си, Си20 и №Бе3. Размер зерен шпинели составляет 10-20 мкм. Образование фазы №Бе3 может быть связано как с восстановлением шпинели, так и с истиранием стакана и шаров измельчителя. По-видимому, при ме-ханоактивационной обработке смеси в планетарной мельнице АГО-2 происходит незначительное загрязнение материалов частицами мелющих шаров из нержавеющей стали. В последующем при термическом обжиге керметов частицы стали (железо)

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком