№ 4 (2025)

Представлены результаты исследования по восстановительному нитрирующему обжигу перовскитового концентрата Африкандского месторождения для перевода титана в его нитрид, который затем может быть подвергнут низкотемпературному хлорированию (300–500 °С) с извлечением титана в виде TiCl₄. Уточнен вещественный состав перовскитового концентрата. Проведена термодинамическая оценка равновесных составов в системе CaTiO₃-SiO₂-C-N₂ в интервале температур 1250–1350 °С. Изучены фазовые составы продуктов обжига, полученных при указанных температурах с различными количествами добавки SiO₂, используемой для связывания оксида CaO, образующегося при нитрировании перовскита. Показано, что максимальный перевод титана в его нитрид достигается при температурах выше 1300 °С. При этом увеличение количества добавки SiO₂ в шихту также способствует образованию фазы оксинитридного титана. При добавке SiO₂ в мольной пропорции CaO:SiO₂ = 3:1 в продукте обжига остается непрореагировавший перовскит. Кроме того, продукт содержит остаточный оксид кальция, а силикатная фаза состоит из CaO·SiO₂ и 2CaO·SiO₂. Максимальный перевод титана в нитридную фазу достигается при мольном соотношении CaO:SiO₂ = 1:1. В этих условиях в силикатной фазе будет преобладать CaO·SiO₂.

Термодинамический анализ хлорирования минеральной части вскрышной углистой породы Экибастузского месторождения (природного многокомпонентного сырья) показал, что модель, построенная на теоретических расчетах равновесных составов реакций взаимодействия хлора с оксидами, входящими в состав минеральной части углистой породы, в присутствии восстановителя позволяет заключить, что при определенном соотношении концентраций исходных компонентов реакции хлорирования при температурах 1000–1200 K проходят до конца с образованием соединений в газовой и конденсированной фазах. Этот вывод подтверждается выполненными исследованиями. Характер изменения величины энергии Гиббса в заданных условиях позволил установить принципиальную возможность протекания реакции. Оценка целесообразности каждой реакции определяется не только термодинамическим фактором, но и скоростью достижения равновесия, скоростью реакции. Рассчитанные значения энергии Гиббса и константы равновесия, характеризующие выход конечных продуктов реакции в диапазоне температур 400–2000 K, показали, что в присутствии восстановителя равновесие реакций смещено в сторону образования хлоридов. Действие восстановителя в процессе хлорирования оксидных соединений сводится к связыванию кислорода с образованием кислородных соединений углерода. Различия в термодинамических характеристиках соединений, входящих в состав углистой породы, теоретически определяют принципиальную возможность проведения селективного хлорирования многокомпонентного сырья. В идеале должна достигаться высокая степень хлорирования оксида алюминия при минимальной степени хлорирования сопутствующих оксидов. Результаты лабораторных исследований полностью подтвердили возможность термодинамического моделирования процесса хлорирования многокомпонентного сырья, т.е. они представляют теоретический и практический интерес.

Предложена модифицированная модель Тейлора для количественной оценки коэффициента нормальной анизотропии (КНА) с учетом вклада текстуры и формы зерен исследуемого материала. Модель применена для прогнозного определения зависимости КНА от угла между направлениями прокатки и растяжения в плоскости листа сплавов системы Al-Mg-Si. Получено хорошее совпадение между расчетными и экспериментальными значениями КНА листов алюминиевого сплава типа 6016 с учетом неоднородности текстуры по толщине листа и вытянутости зерен в продольном и поперечном направлениях.

Приготовлены покрытия системы Ti-TiB₂ методом электроискровой обработки титанового сплава Ti6Al4V. Для нанесения использовался нелокализованный электрод, состоящий из смеси титановых гранул с порошком  диборида титана (3, 6 и 9 об.%). Средние значения увеличения массы образца (привеса) за 10 мин обработки составили от 1,6 до 3,8 мг/см². Все покрытия имели металлокерамическую структуру, представленную матрицей α-Ti с включениями частиц исходного диборида титана и продуктов перекристаллизации (TiB и TiB₂). Средние значения микротвердости покрытий изменялись в диапазоне от 13,28 до 16,81 ГПа, что выше в 3,4–4,3 раза, чем у титанового сплава без покрытия. Испытание на циклическую жаростойкость, проведенное при температуре 900 °С в течение 100 ч,  показало, что итоговый привес образцов был на 7–23% ниже, чем у титанового сплава Ti6Al4V. Наибольшее содержание диборида титана отмечено в покрытии, полученном с добавкой 6 об.% порошка TiB₂. Применение покрытия данного состава позволяет повысить износостойкость деталей из титанового сплава в 71,3 и 107,9 раза при нагрузках 25 и 70 Н соответственно.

Выполнен анализ технологии производства коррозионно-стойкой стали 08Х18Н10Т для определения причин зарастания сталеразливочных стаканов и загрязненности металла неметаллическими включениями (НВ). Определено содержание кислорода, находящегося в связанном виде в оксидных НВ разного типа, а также содержание общего азота и кислорода в металле на этапах ковшовой обработки и разливки стали. Результаты исследования на электронном микроскопе подтвердили данные фракционного газового анализа (ФГА), а именно преобладание ухудшающих свойства коррозионно-стойких сталей НВ в виде оксидов и нитридов титана, алюминатов и шпинелей. Показано, что после введения в металл титановой проволоки основными типом НВ являлись оксиды титана. В то же время отмечено снижение содержания общего азота за счет образования нитридов титана и ассимиляции их шлаком. Выявлено, что зарастание сталеразливочной оснастки происходит по причине «налипания» на внутреннюю поверхность сталеразливочного стакана-дозатора при разливке стали комплексных НВ на основе оксида титана. Были выработаны рекомендации по корректировке технологии внепечной обработки стали. После их внедрения проведена опытная плавка, получен положительный результат: зарастания сталеразливочной оснастки не наблюдалось. После внедрения установки вакуум-кислородного обезуглероживания проведена вакуумная обработка стали в камерном вакууматоре. Достигнуто снижение содержания углерода и азота в металле.

Проведено исследование структурного состояния и микротвердости поверхностного слоя образцов монокристаллического вольфрама после воздействия импульсными потоками ионов He⁺ и гелиевой плазмы, генерируемыми в установке Плазменный фокус «Вихрь» (ИМЕТ РАН). Параметры облучения: плотность мощности плазмы 10⁸ Вт/см² и ионов 2·10⁹ Вт/см² при длительности воздействия плазмы и ионов 100 и 20 нс соответственно; число импульсных воздействий 15; энергия ионов гелия ~100 кэВ; температура плазмы ~1 кэВ. Показано, что в результате пучково-плазменного воздействия в указанном режиме поверхность оплавляется, появляется кристаллографически ориентированная сетка микротрещин. В отличие от межзеренного растрескивания, характерного для поликристаллических образцов, в монокристаллах вольфрама сетка микротрещин образуется на фоне пластического течения по активным плоскостям скольжения под действием термических напряжений, возникающих на стадии охлаждения после кристаллизации расплава. В оплавленном слое формируется мелкоячеистая структура с размером ячеек ~200 нм. Наблюдается образование нераскрывшихся блистеров и кратеров, обусловленное выделением гелия из поверхностных слоев. Методом рентгеноструктурного анализа установлено, что облучение в реализованном режиме, сопровождающееся испарением тонкого поверхностного слоя, способствует уменьшению искажений кристаллической решетки и структурных дефектов технологического характера, возникших в поверхностном слое образцов монокристалла на стадии их механической обработки при подготовке к экспериментам. В результате радиационно-термического расплавления и направленного затвердевания поверхностного слоя вольфрама в нем образуется текстура кристаллизации в направлении, определяемом кристаллографической ориентацией в поверхностном слое образца, подвергшегося облучению, и совпадающем с вектором градиента температуры. Обнаружено незначительное (до 15%) снижение микротвердости в переплавленном поверхностном слое монокристаллов вольфрама, при этом отмечен разброс значений H_μ по площади облученной поверхности.

Методом лежащей капли исследована смачиваемость железоуглеродистым расплавом рельсовой стали огнеупорной керамики на основе Al₂O₃ в зависимости от длительности выдержки, температуры и состава газовой фазы. Показано существенное изменение краевых углов смачивания (от ~145 до 125–130°) только во время изотермической выдержки при низких температурах. Изучено влияние шероховатости керамической подложки на изменение краевого угла смачивания и показано, что более низкие его значения наблюдаются на шлифованной керамике. Исследованы поверхностное натяжение и плотность расплава рельсовой стали, показано существенное различие значений поверхностного натяжения при нагреве и охлаждении. Отмечено, что в отличие от чистого железа в рельсовой стали наблюдается инверсия температурного коэффициента ∂σ/∂Τ. Рассчитаны значения работы адгезии и показано ее существенное увеличение в первые 30 мин опыта (до значений ~600 мН/м), а затем постепенное возрастание (до ~700 мН/м) независимо от режимов нагрева и охлаждения.