Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Владимирский государственный университет
Кафедра литейных процессов и конструкционных материалов
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
СИНТЕЗА СПЛАВОВ»
Составители
В.А. КЕЧИН
Е.С. ПРУСОВ
Владимир 2011
УДК 621.74
Рецензент
Доктор технических наук, профессор
Владимирского государственного университета
В.Г. Гусев
Кечин В.А., Прусов Е.С.
Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Физико-химические основы синтеза сплавов» / Владим. гос. ун-т; сост. В.А. Кечин, Е.С. Прусов. – Владимир, 2011. – 50 с.
Методические указания составлены в соответствии с рабочей программой дисциплины «Физико-химические основы синтеза сплавов» и рассчитаны на магистрантов, обучающихся по направлению 150100 – «Металлургия».
Табл. 13. Ил. 1. Библиогр.: 24 назв.
УДК 621.74
© Владимирский государственный
университет, 2011
Предисловие………………………………………………………………… |
4 |
Общие положения………………………………………………………….. |
5 |
Работа №1. Исследование термодинамических функций реальных металлических систем при фиксированных условиях…………………… |
8 |
Работа №2. Термодинамика окисления углерода при окислительном рафинировании углеродистой стали………………………………………. |
16 |
Работа №3. Исследование процесса ликвационного рафинирования расплавов от металлических примесей…………………………………… |
22 |
Работа №4. Исследование СВС-процессов при получении литейных сплавов и лигатур…...……………………………………………………… |
31 |
Работа №5. Выбор составов сплавов по заданным критериям оптимизации………………………………………………………………… |
35 |
Работа №6. Металлографические исследования строения сплавов…….. |
42 |
Библиографический список………………………………………………... |
47 |
Приложение…………………………………………………………………. |
49 |
В последние годы большое внимание уделяется разработке сплавов с заранее заданным комплексом физико-химических и других специфических свойств. Значительный вклад в разработку принципов создания сплавов внесли Б.Б. Гуляев, В.М. Воздвиженский, М.В. Захаров и другие советские ученые [1-3].
Традиционная система разработки сплавов методом проб и ошибок перестала удовлетворять современным требованиям; она поглощает все больше времени и средств и дает все более скромные результаты.
Б.Б. Гуляевым была предложена система разработки сплавов с оптимальными свойствами, получившая название синтеза сплавов. В последующий период она продолжала развиваться и расширяться. Основными инструментами системы являются: физико-химический анализ, периодическая система элементов Д.И. Менделеева, технико-экономические оценки, построение математических моделей сплавов на основе планируемых экспериментов и их оптимизация. Выяснилось, что система не только является алгоритмом создания новых сплавов, но и сильным средством обобщения данных о существующих сплавах.
Синтез сплавов позволяет создавать материалы, значительно превосходящие существующие по свойствам, с гораздо меньшими затратами времени и средств, чем традиционными методами. Сочетание в синтезе сплавов идей классического металловедения, металлофизики, физической химии, технико-экономического анализа и кибернетики позволяет рассматривать сплавы самого разнообразного состава и назначения с единых позиций.
Задачей данного пособия является углубление и закрепление знаний, полученных магистрантами направления 150100 «Металлургия» в ходе изучения дисциплины «Физико-химические основы синтеза сплавов».
Целью практикума является практическое изучение основ проектирования и синтеза новых литейных сплавов с заданными свойствами.
Основное внимание в работах уделено развитию навыков самостоятельной исследовательской работы магистрантов, перед которыми ставится задача изучения теоретических особенностей синтеза литейных сплавов.
В каждой работе приведены относящиеся к ней основные сведения, порядок выполнения работы, содержание отчёта, контрольные вопросы для проверки степени усвоения материала. В конце пособия приведен рекомендуемый библиографический список.
С целью более полного освоения курса в ходе работы предусмотрено использование ЭВМ. Настоящие методические указания составлены таким образом, чтобы, ознакомившись с содержанием работы, изучив рекомендуемую литературу и воспользовавшись справочными данными, магистрант мог самостоятельно решать поставленные задачи.
1. Перед выполнением работ необходимо изучить правила техники безопасности и расписаться в специальном журнале.
2. Прежде чем приступить к выполнению, следует внимательно ознакомиться с содержанием задания и четко представлять цели и задачи предстоящей работы.
3. Приступить к выполнению задания разрешается только после собеседования с преподавателем. В случае неясности или неуверенности в правильности его выполнения необходимо прекратить работу для выяснения всех возникших вопросов.
4. При выполнении практической части необходимо учитывать следующие требования:
- перед загрузкой шихты для новой плавки тигель должен быть тщательно очищен от шлака и оксидных пленок;
- загрузку шихты, подшихтовку, введение присадок, перемешивание расплавленного металла, снятие шлака, измерение температуры и взятие проб следует производить после снятия напряжения с нагревательных элементов;
- легирующие присадки и другие составляющие сплава необходимо вводить в расплавленный металл путем плавного опускания, предварительно подогрев их куски, а также строго соблюдать очередность ввода компонентов сплава;
- применяемые для рафинирования флюсы должны быть хорошо просушены, влажность их не должна превышать 2,5%.
5. Категорически запрещается:
- загружать разогретую печь влажным и холодным металлом, выливать металл в холодные ковши, сырые формы;
- оставлять без надзора включенные приборы, печи;
- нажимать пусковые кнопки, вращать ручки, фиксаторы и т.п. незнакомых приборов и малоизученного оборудования.
6. В случае чрезмерного нагревания отдельных частей установки (трансформаторов, проводов и т.д.) следует немедленно выключить ток и сообщить о неисправности преподавателю.
7. После окончания работы необходимо привести рабочее место в порядок.
Для выполнения лабораторных и практических работ необходимо следующее оборудование, инструмент и материалы: тигельная лабораторная печь типа СШОЛ и индукционная печь типа ИСТ-0,06 для плавки сплавов, смешивающие бегуны для приготовления формовочных смесей, микроскоп Nikon Epiphot 200, твердомер шариковый ТШ-2, станок для шлифования и полировки металлографических образцов Полилаб П22М, технические и аналитические весы, кокили для заливки образцов, набор плавильно-разливочного инструмента, исходные шихтовые материалы, химические реактивы для травления шлифов, фтористые и хлористые соли для рафинирования и модифицирования сплавов, спецодежда.
До начала выполнения работы студент должен подготовиться к ней, пользуясь для этого рабочей программой и соответствующей литературой. Подготовленность студента к выполнению задания проверяется преподавателем до начала работы.
На вводном занятии раскрываются цели и задачи практических и лабораторных занятий, даются их общее содержание и характеристики основных разделов. Определяется порядок выполнения работ, форма отчетности и сроки приема выполненного задания.
Проводится инструктаж по технике безопасности, который включает в себя ознакомление с оборудованием литейной лаборатории и требованиями техники безопасности при выполнении лабораторных работ.
При составлении отчетов о выполнении практических и лабораторных работ необходимо строго руководствоваться требованиями ГОСТ 7.32-2001 «Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления».
Цель работы – изучение аналитических и компьютерных методов термодинамических расчетов для оценки равновесия потенциально возможных химических реакций в заданной системе и прогнозирования формирования требуемых фаз.
Высокие темпы развития современных направлений техники и технологии требуют резкого сокращения сроков разработки процессов производства новых материалов.
Решение задачи сокращения сроков создания новых материалов и соответствующих технологических процессов их производства невозможно без широкого использования надежных расчетно-теоретических методов, вытесняющих на определенных этапах дорогостоящие, медленные способы экспериментального подбора исходных комбинаций и рациональных параметров соответствующих технологий.
При выборе технологической схемы получения металла из заданного сырья необходимо выбрать конкретные химические реакции для решения поставленной практической задачи, а при реализации определенного химического процесса в определенном аппаратурном оформлении нужно знать условия наиболее эффективного ведения реакций и стремиться осуществить эти наиболее выгодные условия работы [4].
Оценивая процесс химического взаимодействия конкретных веществ, решают следующие основные вопросы:
Возможно ли течение реакции в заданных условиях в желаемом направлении?
Каковы конечные продукты данной реакции?
Какова скорость течения процесса?
На два первых вопроса можно получить ответ на основании известных законов химической термодинамики, третий вопрос, более сложный, относится к области химической кинетики. Для решения практических задач металлургии в большинстве случаев достаточно решить вопрос о течении реакции при фиксированных условиях: постоянной температуре и постоянном давлении.
Наиболее общей основой всех физико-химических процессов является термодинамический анализ. Он указывает предельные направления превращений в реагирующем рабочем теле от исходного состава рабочего тела до состояния, в котором система оказывается по завершении процесса.
Термодинамические методы позволяют предвидеть возможность или невозможность осуществления той или иной химической реакции взаимодействия для формирования заданных фаз при синтезе сплавов. Благодаря этому можно избежать бесплодных, часто весьма длительных и дорогостоящих попыток осуществить процесс в тех случаях, когда термодинамический анализ показывает его неосуществимость [5, 6].
Термодинамический анализ также используется на практике для выяснения возможности развития процесса в желательном направлении и установления возможных выходов продуктов реакций, а также для решения вопросов о преимущественном течении одних реакций по сравнению с другими.
Термодинамический анализ осуществляется путем использования в различных вариантах основных законов термодинамики. Состав и характеристики равновесной системы (такие, как давление p, температура T, объем V, внутренняя энергия U) при фиксированных исходных условиях ее существования однозначно связаны между собой. Поэтому в задачу термодинамического анализа входит установление зависимостей между всеми характеристиками системы с последующим определением значений всех зависимых величин, к которым относятся те параметры состояния, которые не были заданы первоначально.
Критерием, позволяющим решить вопрос о направлении реакции при фиксированных температуре и давлении, является знак изменения изобарно-изотермического потенциала системы G. Реакция может протекать только в сторону уменьшения изобарно-изотермического потенциала системы и прекратится по достижении системой состояния, при котором изобарно-изотермический потенциал примет наименьшее значение. При достижении системой состояния с минимальным значением изобарно-изотермического потенциала наступает химическое равновесие системы и прекращаются ее дальнейшие изменения. Таким образом, любая химическая реакция возможна, если она сопровождается убылью изобарно-изотермического потенциала. Поэтому самопроизвольно протекают лишь те процессы, изобарно-изотермический потенциал которых имеет отрицательный знак.