способ получения магнийсодержащего наномодификатора

Формула изобретения

Способ получения магнийсодержащего наномодификатора, характеризующийся тем, что смешивают водные растворы поливинилового спирта, хлоридов магния и железа в мольном соотношении (10-5):1:1 соответственно, выпаривают указанную смесь до образования геля, после чего проводят карбонизацию при температуре 350-500°С в атмосфере инертного газа с образованием углеродных нанотрубок, заполненных хлоридом магния и железа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Известен способ получения магнийсодержащей лигатуры, включающий ввод гранулированного магния в расплавленный поток кремнийсодержащего ферросплава одновременно с солевой добавкой при соотношении 10:(0,2-1). В качестве солевой добавки используют смесь галоидов щелочных и щелочноземельных металлов, температура плавления которой ниже на 50-200°С температуры плавления магния (Патент РФ № 2058416, М. кл. С22С 35/00, С21С 1/10, 20.04.1996).

Недостатком данного способа является то, что при введении гранулированного магния в расплав ферросилиция происходят значительные потери магния в связи с его испарением, так как температура испарения металлического магния (1120°С) ниже температуры плавления ферросилиция 1220-1400°С. Не исключаются потери магния при вводе модификатора в чугун, так как солевая добавка испаряется при температуре плавления чугуна. Снижается также качество модифицирования чугуна с шаровидным графитом.

Другим недостатком вышеуказанного способа является необходимость для его осуществления дорогостоящего специализированного металлургического оборудования: индукционной печи, ковша дозатора, мощного источника электрической энергии. Потребуется соответствующий расход электроэнергии для расплавления и технологического перегрева ферросилиция в пределе 1400-1500°С. Поэтому для использования данного способа необходимы значительные амортизационные и энергетические затраты.

Известен способ получения металлосодержащих углеродных наноструктур из органического соединения с добавками неорганических солей, который включает нагрев до 300°С смеси поливинилового спирта и хлоридов металлов, в частности хлорида меди (1) или (2), взятых в мольных соотношениях поливиниловый спирт: хлорид меди (20-1):1. Исходную смесь поливинилового спирта и хлорида меди (2) готовят смешением растворов указанных соединений с последующим ее высушиванием для получения геля (Патент РФ № 2221744, М. Кл. С01В 31/02, В82В 3/00, опуб. 20.01.2004).

Недостатком указанного способа является то, что он использован для получения углеродных медьсодержащих наноструктур и не может быть использован для получения модификатора для сфероидизации углерода в чугуне, так как медь не является сфероидизирующим элементом.

Задачей, решаемой изобретением, является получение модификатора, обладающего комплексом свойств для получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Способ получения магнийсодержащего наномодификатора характеризуется тем, что смешивают водные растворы поливинилового спирта, хлоридов магния и железа, взятых в мольном соотношении (5-10):1:1 соответственно, выпаривают указанную смесь с образованием геля, после чего проводят карбонизацию при температуре 350-500°С в атмосфере инертного газа с образованием углеродных нанотрубок, заполненных хлоридом магния и железа.

В процессе получения наномодификатора смешивают водные растворы поливинилового спирта, хлоридов магния и железа, затем их выпаривают с образованием геля, что является предварительной стадией перед карбонизацией. В процессе карбонизации образуются углеродные нанотрубки, частично заполненные хлоридом магния и хлоридом железа, т.е. хлорид магния и хлорид железа оказываются заключенными в углеродные нанотрубки. Карбонизация в атмосфере инертного газа дополнительно защищает от окисления магний, железо, углерод. При вводе в жидкий чугун нанотрубки освобождаются от хлорида магния и хлорида железа. Магний обеспечивает сфероидизацию чугуна, хлорид железа способствует погружению модификатора в расплав. Углеродные нанотрубки способствуют измельчению зерна в чугуне. При вводе наномодификатора в чугун потери магния не значительны, так как он заключен в нанотрубки. При соотношении поливинилового спирта к хлориду магния и хлориду железа в нагреваемой смеси более (10):1:1 образуются нанотрубки, не заполненные хлоридом магния и хлоридом железа, поэтому модификатор не тонет в расплаве металла, что повышает угар магния. Снижается эффект модифицирования.

При соотношении поливинилового спирта к хлориду магния и хлориду железа в нагреваемой смеси менее (5):1:1 хлорид магния и хлорид железа частично оказываются вне углеродных нанотрубок и при введении наномодификатора в чугун увеличиваются потери магния. Модифицирование недостаточно эффективно.

При температуре нагрева смеси менее 350°С карбонизации не происходит, при температуре нагрева более 500°С начинается разрушение нанотрубок.

Таким образом, техническим результатом способа является снижение потерь магния при получении модификатора и снижение его угара при модифицировании путем заключения его в нанотрубки. Кроме того, значительно снижены энергетические затраты на получение модификатора.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6 представлены фрагменты структуры магнийсодержащего наномодификатора. Предлагаемый способ получения магнийсодержащего наномодификатора реализован следующим образом.

Пример 1

Смешивали водные растворы поливинилового спирта (ПВС), хлоридов магния и железа в мольном соотношении ПВС:MgCl₂:FeCl ₂=10:1:1. Смесь растворов разливали с толщиной слоя 5 мм в керамическую посуду. Смесь растворов выпаривали при температуре 100°С с образованием геля, а затем проводили карбонизацию при нагреве до температуры 350°С в атмосфере аргона. На фиг.1 показан фрагмент структуры нанотрубок, заполненных хлоридами магния и железа.

Пример 2

Смешивали водные растворы поливинилового спирта (ПВС), хлоридов магния и железа в мольном соотношении ПВС:MgCl₂:FeCl ₂=10:1:1. Смесь растворов разливали с толщиной слоя 5 мм в керамическую посуду. Смесь растворов выпаривали при температуре 100°С с образованием геля, а затем проводили карбонизацию при нагреве до температуры 500°С в атмосфере аргона. Структура полученного наномодификатора показана на фиг.2, аналогична показанной на фиг.1.

Пример 3

Смешивали водные растворы поливинилового спирта (ПВС), хлоридов магния и железа в мольном соотношении ПВС:MgCl₂:FeCl₂=5:1:1. Смесь растворов разливали с толщиной слоя 5 мм в керамическую посуду. Смесь растворов выпаривали при температуре 100°С с образованием геля, а затем проводили карбонизацию при нагреве в атмосфере аргона до температуры 350°С. На фиг.3 показан фрагмент структуры нанотрубок, заполненных хлоридами магния и железа.

Пример 4

Смешивали водные растворы поливинилового спирта (ПВС), хлоридов магния и железа в мольном соотношении ПВС:MgCl₂:FeCl₂=5:1:1. Смесь растворов разливали с толщиной слоя 5 мм в керамическую посуду. Смесь растворов выпаривали при температуре 100°С с образованием геля, а затем проводили карбонизацию при нагреве в атмосфере аргона до температуры 500°С. Структура полученного наномодификатора показана на фиг.4, аналогична показанной на фиг.1, 2, 3.

Пример 5

Смешивали водные растворы поливинилового спирта (ПВС), хлоридов магния и железа в мольном соотношении ПВС:MgCl₂:FeCl ₂=11:1:1. Смесь растворов разливали с толщиной слоя 5 мм в керамическую посуду. Смесь растворов выпаривали при температуре 100°С с образованием геля, а затем проводили карбонизацию при нагреве в атмосфере аргона до температуры 500°С. На фиг.5 показан фрагмент структуры нанотрубок, видно, что получены нанотрубки, мало заполненные хлоридами магния и железа. В результате этого увеличивается угар магния при вводе модификатора в чугун.

Пример 6

Смешивали водные растворы поливинилового спирта (ПВС), хлоридов магния и железа в мольном соотношении ПВС:MgCl₂:FeCl₃=4:1:1. Смесь растворов разливали с толщиной слоя 5 мм в керамическую посуду. Смесь растворов выпаривали при температуре 100°С с образованием геля, а затем проводили карбонизацию при нагреве до температуры 500°С. На фиг.6 показан фрагмент структуры нанотрубок, видно, что получено избыточное количество кристаллической фазы хлоридов магния и железа. В результате этого увеличивается угар магния при вводе наномодификатора в чугун.

При температурах нагрева смеси менее 350°С и выше 500°С встречаются единичные нанотрубки, что не позволяет полученный продукт использовать в качестве модификатора.

Изучение структуры и состава полученных продуктов карбонизации проводилось методом просвечивающей электронной микроскопии на просвечивающем электронном микроскопе JEM-200CX.

Полученный модификатор был опробован при получению чугуна с шаровидным графитом марки ВЧ60, результаты экспериментов приведены в табл.1, которые показали, что при вводе модификатора в расплав чугуна образуется шаровидный графит, оптимальными являются примеры 1, 2, 3, 4. Количество вводимого в чугун наномодификатора определяли расчетным путем. При получении наномодификатора практически полностью исключены потери магния, уменьшаются потери магния при вводе наномодификатора в чугун.

Предлагаемый способ получения магнийсодержащего наномодификатора позволяет получить модификатор для получения чугуна с шаровидным графитом, практически исключены потери магния при получении модификатора, угар магния при модифицировании чугуна снижается в 1,5-2 раза. Способ энгергетически малозатратен.