CC BY
102
УДК 669.046.44
ИССЛЕДОВАНИЕ ГОРЯЧЕГО ПРЕССОВАНИЯ НАНО-РАЗМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
П.В. Хапов
В статье рассматривается вопрос получения методами порошковой металлургии принципиально новых изделий с определенным набором физико-механических свойств. Учитывая последние веяния в науке, становится возможным получение новых результатов в области нано-размерных порошковых материалов. Основная цель заключается в получении плотных беспористых материалов за счет состояния сверхтекучести порошков. Влияние различных факторов, таких как температура спекания, сила и время приложения давления, влияющих на сверхтекучесть, при на-но-размерных частицах в настоящее время малоизученно. Результатом является достижение порошковыми изделиями высоких технологических свойств: показателей плотности и твердости, износо- и коррозионностойкости и т.д.
Ключевые слова: ультрадисперсные материалы, горячее прессование, текучесть
Нанотехнологии - «ключевые» технологии современности, которые на какой-то период времени будут определять развитие всех других технологий. Основой нанотехнологий являются материалы со структурными элементами нано-метрового масштаба [1].
Интерес к нано-дисперсным материалам связан с тем, что они находят все более широкое применение в качестве исходного сырья при производстве керамических и композиционных материалов, сверхпроводников, солнечных батарей, фильтров, геттеров и др. Основные достижения и, особенно, перспективы использования нано порошков, связаны с отработкой технологии получения порошков с "особыми" свойствами, например, такими как:
- низкие температуры спекания < 100 °С;
- высокая химическая активность;
- избыточная (запасенная) энергия.
Изменение фундаментальных свойств традиционных материалов в нано-дисперсном состоянии, при котором понижается температура начала плавления, теплота испарения, энергия ионизации, работа выхода электронов и др., открывает широчайшие возможности в области создания уникальных материалов и технологий, принципиально новых приборов и устройств. Стоит отметить, что ультрадисперсные материалы следует классифицировать не только по геометрическому размеру зерен (меньше 100 нм), но и по их соизмеримости с характерными физическими величинами для твердого вещества (длина свободного пробега электронов, длина волны фононов, магнитными или электрический домен, дислокация или дисклинация, и др.).
Разрабатываемые в последние годы новые технологии получения композиционных порошковых материалов предопределяют необходи-
Хапов Павел Викторович - МарГТУ, ассистент, тел. 8-917-714-37-60, e-mail: [email protected]
мость изучения процессов их обработки давлением, а также исследования свойств этих материалов в состоянии после компактирования и формообразования. В связи с этим большую актуальность приобретают исследования по определению закономерностей изменения энергосиловых параметров обработки их давлением в зависимости от технологических схем и режимов обработки, составов композиционных материалов, заданных нормативами их свойств [2].
Применяя порошковую металлургию можно соединять различные компоненты, зачастую обладающие разными критериями совместимости. Составляющие могут иметь существенно различные температуры плавления и плотности, почти или вовсе не растворяться в жидкой фазе, а также по-разному вести себя при инфильтрации твердых сплавов жидким металлом. В этих случаях средствами плавления невозможно получить технически пригодные материалы [3].
Порошковое производство и нанотехнологии являются способами получения поликри-сталлических тел самой различной химической природы: металлов и их соединений, оксидов, ковалентных кристаллов. При спекании порошковой формовки происходят сложные физикохимические процессы с компонентами, обеспечивая формованным деталям высокие физикомеханические свойства.
При изучении механизма и кинетики процессов, происходящих в спекающемся пористом теле, необходимо иметь в виду особенности фазового равновесия, поскольку «фаза вещества» и «фаза пустоты» имеют такие размеры, когда эффекты, обусловленные искривленностью границы между сосуществующими фазами, могут оказаться значительными. Основной причиной различия свойств дисперсных и макроскопических объектов является повышенная кривизна поверхностей твердых частиц, приводящая к появлению давлений на границе раздела твердых
дисперсных фаз, которые приводят к различию давлений паров металлов над поверхностями с разной кривизной и соответствующих плотностей вакансий.
Компактирование является технологическим процессом в результате которого из порошка получают готовую деталь. Процесс обычно проводят в две стадии: формовка и спекание. В ряде методов обеспечивается совмещение этих стадий в одну. Для получения объемных наноматериалов из порошков в основном используется формовка при комнатной температуре с последующим спеканием [4].
Для прессования нанопорошков наиболее широкое распространение получила технология одноосного прессования. Используются такие его методы как: статическое (прессование в пресс-формах или штамповка), динамическое (магнитно-импульсное и взрывное) и вибрационное (ультразвуковое) прессование.
Изменение плотности при прессовании и спекании обусловлено многими процессами, различными по своей природе: взаимным
скольжением элементов структуры относительно друг друга, пластической деформацией, вязким течением, диффузионными явлениями. Большинство из этих процессов имеет термоактивационный характер, а пластическая деформация, кроме того, и пороговый. Преимущественным механизмом диффузии в твердых телах считается вакансионный, и энергия активации представляется состоящей из слагаемых, зависящих от параметров образования и движения вакансий. В процессах спекания и горячего прессования важную роль играет течение вещества - ползучесть. При нагреве вязкого тела, в том числе и порошкового, происходят и рекре-стализационные процессы, связанные с переходом микроструктуры в более стабильное состояние.
Для осуществления предлагаемой технологии разработана конструкция установки горячего прессования, давшей хорошие показатели в ходе проведения рядя экспериментов. Пресс-форма с нагревательным элементом и системой охлаждения показана на рис. 1. Для обеспечения контроля температуры во время прессования в собранном устройстве предусмотрено специальное отверстие, в котором размещается термопара. В установке реализована система охлаждения, позволяющая сократить время остывания детали в пресс-форме и обеспечить требуемый температурный режим. Нагревательный элемент состоит из нихромовой проволоки, намотанной на керамическую основу, и с внешней стороны изолированный теплоотталкивающим материа-
лом и металлическим кожухом. Нижняя плита пресс-формы имеет отверстие для максимально близкого размещения термопары к зоне прессования детали. Причем, она выполнена симметричной относительно горизонтальной плоскости, что позволяет перевернуть её и продолжить эксперимент при изнашивании одной из поверхностей. Собранное устройство помещается между плитами пресса в инертную газовую среду для исключения окислительных процессов, активно протекающих при высоких температурах. Нами использовался газ аргон.
Рис. 1. Общий вид в разрезе пресс-формы с нагревательным и охладительным элементом
Для проведения экспериментов были взяты предварительно спрессованные и спеченные на предприятии ООО «Наномет» образцы типа «шайба». Высота образцов до проведения экспериментов составляла 4 мм. В ходе исследования изучалось влияние дисперсности порошковых материалов, содержания углерода, температуры спекания и прилагаемого давления на конечные свойства полученных изделий.
Спроектированное устройство позволяет реализовывать нагрев прессуемого образца до 1000 °С, при этом, прилагаемое давление зависит от характеристик пресса. При выполнении экспериментальной части исследовательской работы основной задачей являлось выявить такой режим прессования, после которого порошковая деталь приобретет наилучшие характеристики: максимальные плотность и твердость. Для отработки технологии были выбраны режимы с температурой 600-800 °С и прилагаемым давлением 5-20 т. При этом, в отдельности для каждого из режимов проверялось влияние со-
держания углерода в образцах на свойства готовых изделий.
Исследование на твердость проводилось согласно ГОСТ непосредственно для порошковых деталей. Результаты испытаний приведены в таблице. и на графиках (рис. 2 а, б). Из таблицы видно, что плотность изделий достигает более 7.15 г/см3, что для порошковых деталей считается высоким показателем. При этом твердость деталей доходит до 138 ЫБ8.
п
б)
Рис. 2. Графики зависимостей: твердости ИБ8 (а) и плотности р, г/см3 (б) от процентного содержания общего углерода
На рис. 2а, б представлены зависимости твердости ИБ8 и плотности р, г/см3 от процентного содержания углерода. Видно, что при температуре 600 °С и давлении прессования 10 т содержание углерода практически не влияет на твердость полученных изделий, причем, чем выше содержание углерода - тем ниже твердость. При температуре 600 °С и давлении прес-
сования 20 т с повышением содержания углерода твердость увеличивается. При температуре 700 °С и давлении прессования 10 т наибольшие значения твердости достигаются при минимальном и максимальном показателях содержания углерода: 0.66 и 3.44 г/см3. Плотность же во всех случаях снижается с увеличением содержания углерода.
Наивысшие значения твердости Нами достигнуто при температуре 600 °С и давлении прессования 20 т с содержанием углерода 2.82 % и составляет 138 HBS. Максимальная же плотность получена тоже при температуре 600 °С и давлении прессования 20 т но с содержанием углерода 2.3 % и составляет 7.15 г/см3.
Высота получаемых изделий после прессования уменьшилась в 1.8-2 раза. Такое сильное уплотнение происходит в результате резкого уменьшения пористости и возрастания плотности, что свидетельствует о явлении пластического течения при данной температуре и давлении.
Нами установлено, что с уменьшением размера зерна повышается прочность, в том числе с сохранением пластичности, в нашем случае толщина прессуемых образцов уменьшилась вдвое, здесь уже проявляется эффект низкотемпературной и высокоскоростной сверхпластичности.
Отличие свойств ультрадисперсных порошков по сравнению со свойствами аналогичных крупнокристаллических порошков проявляется следующим образом. Механические: увеличение твердости от 31.8 до 138 HBS (из-за отсутствия протяженных дефектов) в сочетании с высокой пластичностью (благодаря развитой сетке границ), увеличение предела текучести, уменьшение порога хладноломкости. Увеличение плотности готового изделия от 4.98 до 7.15 г/см3.
Литература
1. 9th International Conference on Nanostructured Materials. // 01-06 Iune 2008, Rio de Janeiro // Abstracts 370 p.
2. Довыденков В.А. Кохан Л.С. // Обработка композиционных материалов на основе гранул и металлических порошков. Йошкар-Ола: МарГТУ. 2009. 144 с.
3. Хапов П.В., Алибеков С.Я. // Установка для спекания порошковых материалов под давлением. Сборник материалов Второй международный научно-практический семинар. Новые материалы и изделия из металлических порошков. Технология. Производство. Применение. 2008. с. 132.
4. Алымов М.И., Зеленский В.А. // Методы получения и физико-механические свойства объемных нанокри-сталлических материалов. М.: МИФИ. 2005. 52 с.
Характеристика образцов, полученных способом горячего прессования
Об- раз- цы Собщ.; % ССВ0б.; % Температура, °C Давление, т Масса, г Плотность, г/см3 Твердость, HBS
1. 2.82 1.82 20 - 6.644 4.34 31.8
2. 600 10 6.761 6.41 101
3. 600 20 6.666 6.84 138
4. 700 10 6.532 6.99 89.7
5. 3.44 2.2 20 - 6.675 4.31 33.1
6. 600 10 6.713 6.43 101
7. 600 20 6.565 6.44 129
8. 700 10 6.569 6.57 114
9. 3.44 2.8 20 - 6.628 4.31 31.8
10. 600 10 6.607 6.28 107
11. 600 20 6.700 6.51 129
12. 700 10 6.525 6.66 107
13. 0.66 0.51 20 - 6.515 5.16 38.6
14. 600 10 6.507 6.95 107
15. 600 20 6.549 7.11 114
16. 700 10 6.486 6.98 114
17. 2.3 1.46 20 - 6.485 4.98 31.8
18. 600 10 6.595 6.29 107
19. 600 20 6.498 7.15 114
20. 700 10 6.620 6.83 94.9
21. 1.2 0.81 20 - 6.366 4.99 38.6
22. 600 10 6.497 6.54 101
23. 600 20 6.543 7.10 107
24. 700 10 6.455 7.02 94.9
Марийский государственный технический университет
RESEARCH OF HOT PRESSING OF NANO-DIMENSIONAL MATERIALS
P.V. Khapov
The article is devoted to the problem of reception by methods of powder metallurgy of essentially new products with a certain set of physicomechanical properties. Considering last trends in a science, there is possible a reception of new results in the field of nano-dimensional powder materials. The main objective consists in reception dense non-porous materials at the expense of a condition of superplasticity of powders. Influence of various factors, such as: sintering temperature, force and time of the application of the pressure, influencing superplasticity, at nano-dimensional particles now it is a little studied. Result is reaching by powder products of high technological properties: density and hardness indicators, abrasion resistance and corrosion resistance, etc
Key words: ultradisperse materials, hot pressing, plasticity
