Оцінка можливості здійснення деяких металургійних процесів (плавка, синтез сплавів, пайка) у середовищі, наближеному до атмосфери на планеті Марс
Для перевірки можливості реалізації деяких металургійних процесів у середовищі, наближеному до атмосфери на планеті Марс, проведено досліди по плавленню ряду металів та синтезу сплавів, що широко використовуються у металургії (Cu, Ag, Sn, Pb, Ni, Cu—Ag), і вивчено змочування підкладок із сталі, ніке...
Saved in:
| Date: | 2016 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України
2016
|
| Series: | Адгезия расплавов и пайка материалов |
| Subjects: | |
| Online Access: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/132824 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Оцінка можливості здійснення деяких металургійних процесів (плавка, синтез сплавів, пайка) у середовищі, наближеному до атмосфери на планеті Марс / М.Ф. Григоренко, Є.П. Черніговцев, Ю.В. Найдіч // Адгезия расплавов и пайка материалов. — 2016. — Вып. 49. — С. 29-34. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-132824 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1328242018-04-28T03:03:46Z Оцінка можливості здійснення деяких металургійних процесів (плавка, синтез сплавів, пайка) у середовищі, наближеному до атмосфери на планеті Марс Григоренко, М.Ф. Черніговцев, Є.П. Найдіч, Ю.В. Поверхностные свойства расплавов и твердых тел, смачивание, адгезия Для перевірки можливості реалізації деяких металургійних процесів у середовищі, наближеному до атмосфери на планеті Марс, проведено досліди по плавленню ряду металів та синтезу сплавів, що широко використовуються у металургії (Cu, Ag, Sn, Pb, Ni, Cu—Ag), і вивчено змочування підкладок із сталі, нікелю та кераміки сріблом, міддю та припоями в атмосфері СО₂, подібній до марсіанської. Отримані зливки металів/сплавів високої якості і дані по змочуванню свідчать про принципову можливість здійснення зазначених процесів на планеті Марс. Для проверки возможности реализации некоторых металлургических процессов в среде, приближенной к атмосфере на планете Марс, проведены исследования по плавлению ряда металлов и синтезу сплавов, которые широко используются в металлургии (Cu, Ag, Sn, Pb, Ni, Cu—Ag), и изучена смачиваемость подложек из стали, никеля и керамики серебром, медью и припоями в атмосфере СО₂, подобной марсианской. Полученные слитки металлов/сплавов высокого качества и данные по смачиваемости свидетельствуют о принципиальной возможности осуществления указанных процессов на планете Марс. To check a possibility of realization of some metallurgical processes (melting, synthesis of alloys, brazing) in the atmosphere similar to that of Mars, some experiments on melting and synthesis were carried out for a number of metals and alloys widely used in metallurgy (Cu, Ag, Sn, Pb, Ni, Cu—Ag), and wettting of steel, nickel and ceramic supports by silver, copper and solders in the atmosphere of СО₂ was studied. Good quality metal/alloys ingots and also wettability data obtained may serve as an evidence of a possibility to realize in principle some metallurgical technologies in the atmosphere of Mars. 2016 Article Оцінка можливості здійснення деяких металургійних процесів (плавка, синтез сплавів, пайка) у середовищі, наближеному до атмосфери на планеті Марс / М.Ф. Григоренко, Є.П. Черніговцев, Ю.В. Найдіч // Адгезия расплавов и пайка материалов. — 2016. — Вып. 49. — С. 29-34. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. 0136-1732 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/132824 548.52 uk Адгезия расплавов и пайка материалов Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| topic |
Поверхностные свойства расплавов и твердых тел, смачивание, адгезия Поверхностные свойства расплавов и твердых тел, смачивание, адгезия |
| spellingShingle |
Поверхностные свойства расплавов и твердых тел, смачивание, адгезия Поверхностные свойства расплавов и твердых тел, смачивание, адгезия Григоренко, М.Ф. Черніговцев, Є.П. Найдіч, Ю.В. Оцінка можливості здійснення деяких металургійних процесів (плавка, синтез сплавів, пайка) у середовищі, наближеному до атмосфери на планеті Марс Адгезия расплавов и пайка материалов |
| description |
Для перевірки можливості реалізації деяких металургійних процесів у середовищі, наближеному до атмосфери на планеті Марс, проведено досліди по плавленню ряду металів та синтезу сплавів, що широко використовуються у металургії (Cu, Ag, Sn, Pb, Ni, Cu—Ag), і вивчено змочування підкладок із сталі, нікелю та кераміки сріблом, міддю та припоями в атмосфері СО₂, подібній до марсіанської. Отримані зливки металів/сплавів високої якості і дані по змочуванню свідчать про принципову можливість здійснення зазначених процесів на планеті Марс. |
| format |
Article |
| author |
Григоренко, М.Ф. Черніговцев, Є.П. Найдіч, Ю.В. |
| author_facet |
Григоренко, М.Ф. Черніговцев, Є.П. Найдіч, Ю.В. |
| author_sort |
Григоренко, М.Ф. |
| title |
Оцінка можливості здійснення деяких металургійних процесів (плавка, синтез сплавів, пайка) у середовищі, наближеному до атмосфери на планеті Марс |
| title_short |
Оцінка можливості здійснення деяких металургійних процесів (плавка, синтез сплавів, пайка) у середовищі, наближеному до атмосфери на планеті Марс |
| title_full |
Оцінка можливості здійснення деяких металургійних процесів (плавка, синтез сплавів, пайка) у середовищі, наближеному до атмосфери на планеті Марс |
| title_fullStr |
Оцінка можливості здійснення деяких металургійних процесів (плавка, синтез сплавів, пайка) у середовищі, наближеному до атмосфери на планеті Марс |
| title_full_unstemmed |
Оцінка можливості здійснення деяких металургійних процесів (плавка, синтез сплавів, пайка) у середовищі, наближеному до атмосфери на планеті Марс |
| title_sort |
оцінка можливості здійснення деяких металургійних процесів (плавка, синтез сплавів, пайка) у середовищі, наближеному до атмосфери на планеті марс |
| publisher |
Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України |
| publishDate |
2016 |
| topic_facet |
Поверхностные свойства расплавов и твердых тел, смачивание, адгезия |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/132824 |
| citation_txt |
Оцінка можливості здійснення деяких металургійних процесів (плавка, синтез сплавів, пайка) у середовищі, наближеному до атмосфери на планеті Марс / М.Ф. Григоренко, Є.П. Черніговцев, Ю.В. Найдіч // Адгезия расплавов и пайка материалов. — 2016. — Вып. 49. — С. 29-34. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. |
| series |
Адгезия расплавов и пайка материалов |
| work_keys_str_mv |
AT grigorenkomf ocínkamožlivostízdíjsnennâdeâkihmetalurgíjnihprocesívplavkasintezsplavívpajkauseredoviŝínabliženomudoatmosferinaplanetímars AT černígovcevêp ocínkamožlivostízdíjsnennâdeâkihmetalurgíjnihprocesívplavkasintezsplavívpajkauseredoviŝínabliženomudoatmosferinaplanetímars AT najdíčûv ocínkamožlivostízdíjsnennâdeâkihmetalurgíjnihprocesívplavkasintezsplavívpajkauseredoviŝínabliženomudoatmosferinaplanetímars |
| first_indexed |
2025-07-09T18:04:35Z |
| last_indexed |
2025-07-09T18:04:35Z |
| _version_ |
1837193522438995968 |
| fulltext |
ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2016. Вып. 49
29
УДК 548.52
М. Ф. Григоренко, Є. П. Черніговцев, Ю. В. Найдіч*
ОЦІНКА МОЖЛИВОСТІ ЗДІЙСНЕННЯ ДЕЯКИХ
МЕТАЛУРГІЙНИХ ПРОЦЕСІВ (ПЛАВКА, СИНТЕЗ СПЛАВІВ,
ПАЙКА) У СЕРЕДОВИЩІ, НАБЛИЖЕНОМУ ДО АТМОСФЕРИ
НА ПЛАНЕТІ МАРС
Для перевірки можливості реалізації деяких металургійних процесів у середовищі,
наближеному до атмосфери на планеті Марс, проведено досліди по плавленню ряду
металів та синтезу сплавів, що широко використовуються у металургії (Cu, Ag, Sn, Pb, Ni,
Cu—Ag), і вивчено змочування підкладок із сталі, нікелю та кераміки сріблом, міддю та
припоями в атмосфері СО2, подібній до марсіанської. Отримані зливки металів/сплавів
високої якості і дані по змочуванню свідчать про принципову можливість здійснення
зазначених процесів на планеті Марс.
Ключові слова: металургія, плавлення, синтез металів та сплавів, пайка, змочування,
марсіанська атмосфера.
Вступ
Дослідження капілярної поведінки рідин — форми поверхонь та менісків,
змочування та розтікання при контакті з твердими поверхнями за умов
змінної гравітації чи її відсутності є важливим елементом розроблення
космічних технологій (лиття сплавів, пайки, зварювання). У ряді
попередніх робіт нами вивчався вплив як зниженої, так і підвищеної сили
тяжіння на крайовий кут змочування і було встановлено його незалежність
від сили тяжіння [1—4].
У даній роботі поставлено задачу експериментально, у зв’язку з
підвищенням в останні роки актуальності досліджень планети Марс,
оцінити можливість проведення деяких металургійних процесів (плавки,
синтезу сплавів) в атмосфері, наближеній до марсіанської.
Враховуючи перспективу вже в найближчих роках (2020—2030 роки)
здійснення польоту астронавтів на планету Марс (проект “Mars one” і
наступні активні дослідження в цьому напрямку) і вже відомий склад
атмосфери цієї планети (основа — вуглекислий газ CO2, таблиця), серед
багатьох питань та проблем, у тому числі матеріалознавчого характеру,
може бути розглянуте й питання щодо можливості здійснювати деякі
металургійні процеси відкритого типу (тобто лише термічне нагрівання
обладнання — концентроване сонячне випромінювання, печі
електроопору).
Йдеться про синтез, лиття металевих сплавів, паяння—з’єднання мета-
лів і таке інше. Потреба в таких процесах (монтажно-ремонтні роботи та
ін.) при довготривалій колонізації планети напевно може виникнути.
* М. Ф. Григоренко — кандидат хімічних наук, старший науковий співробітник, Інститут
проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, Київ;
Є. П. Черніговцев — науковий співробітник цієї ж установи; Ю. В. Найдіч — академік
НАН України, доктор технічних наук, професор, завідуючий відділом цієї ж установи.
М. Ф. Григоренко, Є. П. Черніговцев, Ю. В. Найдіч, 2016
ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2016. Вып. 49
30
Атмосфера Марсу [5]
Martian atmosphere [5]
Газ
CO2
Азот
Аргон
Кисень
Водяна
пара
Оксид
азоту
Вміст, %
95,72
2,7
1,6
0,2
0,03
0,01
Тиск: 0,7—
0,9 КПа,
(0,007—
0,009 атм)
Стан поверхні металу у середовищі CO2 через корозійні процеси є також
важливим фактором.
Експериментальна частина
Теоретично з точки зору термодинаміки головним критерієм взаємодії
металу з оксидом вуглецю є хімічна спорідненість металу до кисню у
порівнянні зі спорідненістю до кисню самого вуглецю*, що вимірюється
зміною потенціалу Гіббса ∆Gо. На рис. 1 зображено температурну залеж-
ність ∆G ряду металів від вмісту кисню [6]. З використанням такого
підходу можливо вибрати метали (сплави), для яких середовище CO2
Рис. 1. Залежність величини ∆G від температури для
деяких металів [6]
Fig. 1. A plot of ∆G vers. temperature for some metals [6]
*
Зазначимо одразу, що спочатку вивчали метали, котрі не взаємодіють з вуглецем (не
утворюють стабільних карбідів, не розчиняють практично вуглець). Випробували мідь,
срібло, олово, свинець та ін.
0 800 1600 2400
-300
-250
-200
-150
-100
-50
0
2Ag+O 2 =2AgO
2Pb+O 2 =2PbO
4Cu+O 2 =2Cu 2 O
2Mg+O 2 =2MgO
4/3Al+O 2 =2/3Al 2 O 3
C+O 2 =CO 2
Sn+O 2 =SnO 2
∆
G
,
кк
ал
/м
ол
ь
Температура,
о
С
ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2016. Вып. 49
31
захищає поверхню розплавів від окиснення. Ці метали мають хімічну
спорідненість до кисню, суттєво меншу ніж вуглець. Утворення оксидів
металів Cu, Ag, Sn, Pb, Ni характеризується меншою енергію Гіббса, ніж
для оксиду вуглецю (рис. 1, верхня частина), і вони можуть бути
виплавлені без окиснення. Навпаки, такі метали, як, наприклад, Mg, Al,
окиснюються в середовищі вуглекислого газу, що ускладнює їх виплавку.
Для проведення цих дослідів нами розроблено та створено вакуумно-
газову апаратуру, обладнану засобами для відкачки та напуску
вуглекислого газу (рис. 2), та виконано наземні експерименти з виплавки і
лиття міді і синтезу деяких її сплавів (зокрема, Cu—Ag (72%) в атмосфері,
котра моделює “марсіанські” умови).
Метал плавили у камері вакуумної установки. Зразки металів
розташовували у графітовому тиглі або тиглі із оксиду алюмінію. Після
відкачки високого вакууму ~(3—5)·10-3 Па камеру та систему напуску
“промивали” вуглекислим газом та знову відкачували. Потім у камеру
напускали вуглекислий газ до потрібного тиску 0,01—0,001 МПа
(контроль тиску здійснювався за допомогою манометра) і проводили
нагрівання та плавку/синтез сплавів. Контролювали процес плавлення за
допомогою відеокамери. У такий спосіб були отримані зливки деяких
металів/сплавів (Cu. Ag, Pb, Cu—Ag, Cu—Ni) високої якості з чистою
блискучою поверхнею (рис. 3).
Також досліджували змочування підкладок із сталі, нікелю та кераміки
(SnO2) припоєм ПСР-72, сріблом та міддю (рис. 4—6).
Рис. 2. Схема вакуумної установки для плавлення/синтезу металів: 1 —
відеокамера; 2 — вакуумна камера; 3 — манометр; 4 — конденсор; 5 —
освітлювальна лампа; 6 — екран; 7 — нагрівач; 8 — столик; 9 —
підкладка (тигель) з краплею металу
Fig. 2. Vacuum apparatus diagram for metals/alloys melting/synthesis. 1 —
video camera; 2 — vacuum chamber; 3 — pressure gauge; 4 — condenser; 5 —
illuminating lamp; 6 — shield; 7 — heater; 8 — table; 9 — support (crucible)
with a drop of metal
До системи відкачування
3
3
До балону з CO2
2
1 4
5
6
7
8
9
ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2016. Вып. 49
32
а б
Рис. 3. Зливки металів/сплавів, виплавлені/синтезовані в атмосфері
CO2, наближеній до марсіанської (тиск у камері — ~0,01—
0,001 МПа): а — Cu (тигель із Al2O3, маса — 40 та 15 г); б — сплав
Cu—Ag (72%) (графітовий тигель, маса 12 г)
Fig. 3. Metal/alloy ingots melted/synthesized in a CO2 atmosphere
similar to that of Mars (chamber pressure 0,01—0,001 MPa): а —
Cu (Al2O3 crucible, weight 40 and 15 g); б — Cu—Ag (72%) (graphite
crucible, 12 g)
а б в
Рис. 4. Змочування підкладки із нікелю сріблом в атмосфері CO2 (0,01—
0,001 МПа): а — 960 °С, початок плавлення; б — 980 °С, θ = 37°; в —
1010 °С, θ = 34°
Fig. 4. Wetting of a Ni support by Ag in a CO2 atmosphere (0,01—0.001 MPa):
а — 960 °С, onset of melting; б — 980 °С, θ = 37°; в — 1010 °С, θ = 34°
а б в
Рис. 5. Змочування підкладки із сталі 45 припоєм ПСР-72 в атмосфері
CO2 (0,01—0,001 МПа): а — 820 °С, θ = 95°; б — 850 °С, θ =105°; в —
930 °С, θ = 105°
Fig. 5. Wetting of a steel 45 support by a PSR-72 solder in a CO2 atmosphere
(0,01—0.001 MPa): а — 820 °С, θ = 95°; б — 850 °С, θ =105°; в — 930 °С,
θ = 105°
а а
ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2016. Вып. 49
33
Рис. 6. Змочування сталі 45 в атмосфері СО2: 1 — ПСР-72, Т = 850 °С,
θ = 105°; 2 — срібло, Т = 1100 °С, θ = 110°; у вакуумі: 3 — ПСР-72,
Т = 800 °С, θ = 11°; 4 — срібло, Т = 1000 °С, θ = 77°; 5 — кераміка SnO2
в атмосфері СО2 міддю, Т = 1100 °С, θ = 112°
Fig. 6. Wetting of a steel 45 in a CO2 atmosphere СО2: 1 — PSR-72,
Т = 850 °С, θ = 105°; 2 — silver, Т = 1100 °С, θ = 110°; in a vacuum: 3 —
PSR-72, Т = 800 °С, θ = 11°; 4 — silver, Т = 1000 °С, θ = 77°; 5 — SnO2
ceramics in a CO2 atmosphere by copper, Т = 1100 °С, θ = 112°
Вивчення поведінки розплавленого металу у газовому CO2-середовищі
має й наукове фізико-хімічне значення, а закономірності взаємодії з
поверхнею твердого металу важливі для практики — з точки зору
процесів корозії металу. Ці розробки можуть бути перспективними для
розвитку космічної металургії. Роботи в цьому напрямку планується
продовжити.
Висновки
Методом плавки у середовищі, наближеному до марсіанської атмосфери
(~96% CO2), отримано зливки деяких металів/сплавів (Cu, Ag, Pb, Cu—Ag)
високої якості. Також проведено дослідження змочування підкладок із
сталі, нікелю та кераміки (SnO2) припоєм ПСР-72, сріблом та міддю.
Отримані дані свідчать про можливість здійснення ряду металургійних
процесів (виплавка металів, сплавів, пайка) на планеті Марс. Можливо,
що у подальшому коло використовуваних металів та сплавів буде
розширене, наприклад, за рахунок застосування гетерів.
РЕЗЮМЕ. Для проверки возможности реализации некоторых
металлургических процессов в среде, приближенной к атмосфере на
планете Марс, проведены исследования по плавлению ряда металлов и
синтезу сплавов, которые широко используются в металлургии (Cu, Ag,
Sn, Pb, Ni, Cu—Ag), и изучена смачиваемость подложек из стали, никеля и
керамики серебром, медью и припоями в атмосфере СО2, подобной
марсианской. Полученные слитки металлов/сплавов высокого качества и
данные по смачиваемости свидетельствуют о принципиальной
возможности осуществления указанных процессов на планете Марс.
Ключевые слова: металлургия, плавление, синтез металлов и сплавов,
пайка, смачивание, марсианская атмосфера.
1
4
3
5
2
ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2016. Вып. 49
34
1. Найдич Ю. В. Форма поверхности жидкости и капиллярные явления
при пониженной силе тяжести или в невесомости применительно к
проблемам космического материаловедения (технологии порошковой
металлургии: пропитка, жидкофазное спекание; сварка, пайка) /
[Ю. В. Найдич, И. И. Габ, В. А. Евдокимов и др.] // Космічна наука і
технологія. — 2004. — 10, № 2/3. — С. 59—67.
2. Найдич Ю. В. Влияние гравитации на смачивание и капиллярные
явления в контактных системах жидкость—твердое тело /
[Ю. В. Найдич, И. И. Габ, Т. В. Стецюк и др.] // Там же. — 2013. —
19, № 5. — С. 50—55.
3. Найдич Ю. В. Исследование возможного действия различных уровней
силы тяжести на смачивание жидкостями твердых тел. Для
космического эксперимента ”материал—пайка“ / [Ю. В. Найдич,
И. И. Габ, Т. В. Стецюк и др.] // Космічні дослідження в Україні: Звіт
до COSPAR, 2014. — С. 133—137.
4. Григоренко М. Ф. Вивчення капілярних явищ на міжфазній поверхні
рідина1—тверде тіло—рідина2 з використанням модельних систем, що
імітують стан мікрогравітації/невагомості / М. Ф. Григоренко,
Є. П. Черніговцев // Адгезия расплавов и пайка материалов. —
2014. — Вып. 47. — С. 14—24.
5. Атмосфера Марса [Электронный ресурс]: Режим доступа:
http://ru.wikipedia.org.
6. Вакуумная металлургия / Под ред. Р. Ф. Бунша. — М. : ИЛ, 1959. —
306 с.
Надійшла 08.11.16
Grigorenko M., Chernigovtsev E., Naidich Yu.
Assessment of a possibility to carry out some metallurgical
processes (melting, synthesis of alloys, brazing) in the atmosphere
similar to that of Mars
To check a possibility of realization of some metallurgical processes (melting,
synthesis of alloys, brazing) in the atmosphere similar to that of Mars, some
experiments on melting and synthesis were carried out for a number of metals
and alloys widely used in metallurgy (Cu, Ag, Sn, Pb, Ni, Cu—Ag), and
wettting of steel, nickel and ceramic supports by silver, copper and solders in
the atmosphere of СО2 was studied. Good quality metal/alloys ingots and also
wettability data obtained may serve as an evidence of a possibility to realize in
principle some metallurgical technologies in the atmosphere of Mars.
Keywords: metallurgy, melting, synthesis of metals and alloys, brazing, wetting,
martian atmosphere.
|