Углерод в конденсированных углеводородных фазах, сталях и чугунах

Бесплатный доступ

В статье представлен обзор исследований, проведенных, в основном, сотрудниками Уфимского государственного нефтяного технического университета, направленных на выявление новых свойств углерода в конденсированных средах, таких, как нефтяные и каменноугольные пеки, стали и чугуны. Углерод играет важную роль в индустрии строительных материалов, входя в состав дорожных и кровельных битумов, задавая основные механические свойства сталей. Обнаружено, что в классических стеклоподобных веществах - пеках, содержащих несколько тысяч индивидуальных углеводородов различного строения, возникают кристаллоподобные структуры в макромасштабе, что существенно расширяет понятие кристалличности. В структурах пеков управляющим параметром процесса ступенчатого структурирования является парамагнетизм конденсированных ароматических углеводородов. В сталях и чугунах обнаружены фуллерены и идентифицированы различными методами спектрометрии и микроскопии. Фуллерен С60, содержащий 60 атомов углерода, имеет диаметр 0,7 нм и относится к нанообъектам, оказывающим существенное влияние на формирование свойств сталей и чугунов. Показано, что фуллерены присутствуют на всех стадиях получения чугунов, образуются при внедрении углерода извне, кристаллизации металла в сварных соединениях. Создание модифицированных фуллереновых слоев в сталях позволяет улучшить антикоррозионные и трибологические свойства конструкционных материалов. В то же время диффузия углерода извне из углеродистых отложений на поверхности металла также приводит к образованию дополнительного количества фуллеренов. При этом создаются условия для возникновения локальных микроискаже ний структуры, приводящих к образованию трещин. Трудности в изучении распределения фуллеренов в матрице железа заключаются в трудоемкости метода, который требует растворения матрицы в плавиковой кислоте и стадийного выделения фуллеренов с последующей идентификацией спектральными методами.

Еще

Углерод, фуллерены, пеки, стали, чугуны, масс-спектрометрия, ик-спектрометрия, кристаллизация

Короткий адрес: https://sciup.org/142211958

IDR: 142211958   |   УДК: 669.017   |   DOI: 10.15828/2075-8545-2017-9-6-111-128

Carbon in condensed hydrocarbon phases, steels and cast irons

The article presents a review of studies carried out mainly by the researchers of the Ufa State Petroleum Technological University, which are aimed at detection of new properties of carbon in such condensed media as petroleum and coal pitches, steels and cast irons. Carbon plays an important role in the industry of construction materials being a component of road and roof bitumen and setting the main mechanical properties of steels. It was determined that crystal-like structures appear in classical glass-like substances - pitches which contain several thousands of individual hydrocarbons of various compositions. That significantly extends the concept of crystallinity. In structures of pitches, the control parameter of the staged structuring process is paramagnetism of condensed aromatic hydrocarbons. Fullerenes were detected in steels and cast irons and identified by various methods of spectrometry and microscopy. Fullerene С60, which contains 60 carbon atoms, has diameter of 0,7 nm and is referred to the nanoscale objects, which have a significant influence on the formation of steel and cast iron properties. It was shown that fullerenes appear at all stages of manufacture of cast irons; they are formed during introduction of carbon from the outside, during crystallization of metal in welded joints. Creation of modified fullerene layers in steels makes it possible to improve anticorrosion and tribological properties of structural materials. At the same time, outside diffusion of carbon from the carbon deposits on the metal surface also leads to formation of additional amount of fullerenes. This creates conditions for occurrence of local microdistortions of the structure, which lead to occurrence of cracks. Distribution of fullerenes in iron matrix is difficult to study as the method is labor-intensive, it requires dissolution of the matrix in the hydrofluoric acid and stage fullerene separation with further identification by spectral methods.

Еще

Список литературы Углерод в конденсированных углеводородных фазах, сталях и чугунах

  • Фиалков А.С. Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе. -М.: Аспект Пресс, 1997. -718 с.
  • Сидоров Л.Н., Юровская МА., Борщевский А.Я., Трушков И.В., Иоффе И.Н. Фуллерены. -М.: Издательство «Экзамен», 2005. -688 с.
  • Гаврилюк В.Г. Распределение углерода в стали. -Киев: Наук. думка, 1987. -208 с.
  • Гимаев Р.Н., Кузеев И.Р., Абызгильдин Ю.М. Нефтяной кокс. -Москва, 1992. -80 с.
  • Kuzeev I.R. Crystallization of petroleum carbon on metal surface/I.R. Kuzeev, R.G. Sharafiev, Yu.M. Abyzgil’din, M.V. Kretinin//Chemistry and Technology of Fuels and Oils. -1984. -Т. 20. -№ 1. -С. 29-32.
  • Баязитов М.И. Формирование признаков кристаллических тел в потенциально аморфных системах/М.И. Баязитов, А.Н. Васильев, В.А. Гафарова, И.Р. Кузеев, Д.К. Никифорова//Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. -2014. -№ 5. -С. 82-86.
  • Андреева Л.Н. Физика образования коллоидов нефтяных дисперсных систем. Элементы спиновой химии/Л.Н. Андреева, С.Я. Александрова, Л.В. Цыро, Ф.Г. Унгер//Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. -2009. -№ 4. -С. 101-107.
  • Кузеев И.Р. Состав спиралевидных структур при кристаллизации нефтяного углерода на поверхности металла/И.Р. Кузеев, И.Р. Хайрутдинов, И.Г. Ибра гимов, Ю.М. Абызгильдин, Р.Л. Хабибуллин//Химия и технология топлив и масел. -1984. -№ 11. -С. 29.
  • Kuzeev I.R. Composition of helical structures in crystallization in petroleum carbon on a metal surface/I.R. Kuzeev, I.R. Khairudinov, I.G. Ibragimov, Yu.M. Abyzgil’din, R.L. Khabibullin//Chemistry and Technology of Fuels and Oils. -1985. -Т. 20. -№ 11. -С. 559-561.
  • Хайрудинов И.Р. Состав отложений коксосмолистых продуктов на металлической поверхности/И.Р. Хайрудинов, И.Р. Кузеев, И.Г. Ибрагимов, Ф.Г. Унгер//Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. -1986. -Т. 29. -№ 12. -С. 47-51.
  • Кузеев И.Р. Формирование нефтяных углеродистых веществ и их взаимодействие с металлической поверхностью/И.Р. Кузеев, И.Р. Хайрутдинов, Ю.М. Абызгильдин//Химия твердого топлива. -1987. -№ 2. -С. 142.
  • Мухаметзянов И.З. Фрактальные структуры при карбонизации нефтяного сырья/И.З. Мухаметзянов, И.Р.Кузеев, Ю.М. Абызгильдин//Химия твердого топлива. -1990. -№ 6. -С. 91-94.
  • Kulikov D.V. Solid petroleum residue as macroscopic model systems for the study of microstructure in metal materials/D.V. Kulikov, I.R. Kuzeev//Materials Science and Engineering: A. -1997. -Т. 234-236. -С. 949-952.
  • Кузеев И.Р. Фрактальная структура парамагнитных агрегатов нефтяных пеков/И.Р. Кузеев, И.З. Мухаметзянов//Коллоидный журнал. -1991. -Т. 53, № 4. -С. 762-766.
  • Mukhametzyanov I.Z. Structural organization of petroleum disperse systems/I.Z. Mukhametzyanov, I.R. Kuzeev, V.G. Voronov, S.I. Spivak//Doklady Physical Chemistry. -2002. -Т. 387. -№ 1-3. -С. 284-286.
  • Кузеев И.Р. Особенности диффузии углерода из нефтяного кокса в металл/И.Р. Кузеев, И.Г. Ибрагимов, М.И. Баязитов, И.Р. Хайрудинов//Химия и технология топлив и масел. -1986. -№ 6. -С. 13-14.
  • Kroto H.W. Buckminsterfullerene/H.W. Kroto, J.R. Heath, S.C. O'Brien, R.F. Curl & R.E. C. Smalley//Nature 318:162-3. -1985.
  • Закирничная М.М. Определение формы свободного углерода в углеродистых сплавах/М.М. Закирничная, И.Р. Кузеев//XXXXVII Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. -1996. -С. 166.
  • Кузеев И.Р. Фуллеренная модель структуры железо-углеродистых сплавов/И.Р. Кузеев, М.М. Закирничная, Г.Х. Самигуллин, Н.В. Мекалова//Синергетика, структура и свойства материалов, самоорганизующиеся технологии. Симпозиум. -1996. -С. 208.
  • Cox D.M., Reichmann K.C., Kaldor A.P.//Chem. Soc. 1988. V. I 10. P. 1588.
  • Иванова В.С. Фуллерены в чугуне/В.С. Иванова, И.Р. Кузеев, М.М. Закирничная//Материаловедение. -1998. -№ 2. -С. 5-14.
  • Иванова В.С. О самоподобии фуллеренов, образующегося в структурах продуктов термического испарения графита, шунгита и высокоуглеродистой стали/В.С. Иванова, И.Р. Кузеев, Д.В. Козицкий, М.М. Закирничная//Перспективные материалы. -1998. -№ 1. -С. 5-15.
  • Закирничная М.М. Образование фуллеренов в углеродистых сталях и чугунах при кристаллизации и термических воздействиях. -Уфа: «Гилем», 2002. -180 с.
  • Кузеев И.Р. Образование фуллеренов в структуре чугунов при первичной кристаллизации и доменном процессе/И.Р. Кузеев, М.М. Закирничная, Д.А. Годовский//Фракталы и прикладная синергетика. Труды Международного междисциплинарного симпозиума. -1999. -С. 187-189.
  • Закирничная М.М. Миграция и образование фуллереновых структур на различных стадиях получения железо-углеродистых сплавов/М.М. Закирничная, И.Р. Кузеев, В.М. Корнилов, А.Н. Лачинов//Геология. Известия Отделения наук о Земле и природных ресурсов. -Академия наук Республики Башкортостан. -2001. -№ 6. -С. 39-49.
  • Кузеев И.Р. Изучение фуллеренов в науглероженном слое, полученном при цементации/И.Р. Кузеев, М.М. Закирничная, О.И. Ткаченко, Д.А. Годовский//Техника на пороге XXI века. -Уфа. -1999. -С. 176-177.
  • Закирничная М.М. Изменение структуры и свойств металла труб змеевиков печей пиролиза в процессе эксплуатации/М.М. Закирничная, А.Г. Чиркова, И.Р. Кузеев//Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. -1998. -№ 2. -С. 87-92.
  • Никифорова Д.К. Изменение физико-механических свойств стали при диффузионном насыщении углеродом поверхностного слоя/Д.К. Никифорова, В.А. Гафарова, В.В. Васильев, И.Р. Кузеев//Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах. Материалы VIII научно-практической конференции. -2014. -С. 158-160.
  • Кузеев И.Р. Модифицирование поверхностного слоя стали 20 с помощью фуллеренов/И.Р. Кузеев, С.В. Попова, М.Р. Гималова//Нефтегазовое дело. -2012. -Т. 10, № 1. -С. 185-190.
  • Габдуллина М.Р. Формирование металлофуллеренового поверхностного слоя с целью пассивации поверхности в углеродистых сталях/М.Р. Габдуллина, И.Р. Кузеев, Д.К. Никифорова, М.Ф. Габдуллин//Нефтегазовое дело. -2014. -№ 3. -С. 310-328.
  • Закирничная М.М. Распределение фуллеренов по зонам сварного соединения/М.М. Закирничная, И.Р. Кузеев, О.И. Ткаченко//Сварочное производство. -1999. -№ 11. -С. 23.
  • Закирничная М.М. Образование фуллеренов в процессе диффузии углерода в структуру стали/М.М. Закирничная, И.Р. Кузеев, О.И. Ткаченко//Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. -2012. -№2. -С. 112-119.
  • Чиркова А.Г. Изменение напряженно-деформированного состояния змеевиков печей пиролиза в процессе эксплуатации/А.Г. Чиркова, И.Р. Кузеев, С.В. Попова, А.Н. Васильев//Башкирский химический журнал. -2011. -Т. 18. -№ 1. -С. 78-82.
  • Кузеев И.Р. Изучение закономерности диффузии углерода в поверхностный слой стали 12Х18Н10Т/И.Р. Кузеев, С.В. Попова, А.Н. Васильев//Литье и металлургия. -2012. -№ 3. -С. 346-348.
  • Хисаева З.Ф. Модифицирование поверхности змеевиков трубчатых печей для защиты от науглероживания и коксообразования/З.Ф. Хисаева, И.Р. Кузеев//Нефтегазовое дело. -2003. -№ 2. -С. 13.
  • Кузеев И.Р., Попова С.В., Савичева Ю.Н. Способ идентификации фуллеренов С60 и С70 в сталях и чугунах//Патент РФ 2411182. 08.07.2009.
  • Макарова Т.Л. Магнитные свойства углеродных структур//Физика и техника полупроводников. -2004. -Т. 38, Вып. 6. -С. 641-664.
Еще