Перспективы развития методов получения наноматериалов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.762.4

д.т.н Рябичева Л. А.

(Луганский национальный университет им. В. Даля, г. Луганск, ЛНР,

e-mail ryabic@gmail. com)

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ

В статье представлены результаты исследования структуры и физико-механических свойств порошкового медно-титанового материала, полученного различными механическими схемами деформации. Наименьшая величина зерна, наибольшая плотность, твердость и микротвердость получены при РКУ-прессовании.

Ключевые слова: наноматериалы, РКУ-прессование, холодная закрытая осадка, горячая закрытая осадка, плотность, твердость, микротвердость, предел прочности.

Развитие нанотехнологий в скором будущем должно изменить экономику и затронуть многие стороны создания новых материалов и изделий. Долгое время в обработке давлением занимались созданием технологий на макроуровне, т. е. формоизменением для изготовления деталей машин, получением проката. Сейчас получены данные, представляющие возможность на микроуровне управлять различными физико-химическими

эффектами, позволяющими изготавливать новые изделия с высоким уровнем свойств. Академик Н. П. Лякишев отмечал «... известно, что свойства металлов улучшаются «измельчением» их структуры. Чем меньше частицы, из которых состоит сталь, тем выше ее качество. Прочность металлов в наносостоянии возрастает в 3-4 раза, твердость — во сто крат, усиливается стойкость к коррозии».

Современные масштабы производства в металлургии достигли значительных объемов: выплавка стали в мире превысила 1,3 млрд т в год; более 80 % выплавленной стали перерабатывается в

металлопродукцию с использованием различных способов обработки давлением: прокатное, трубное и кузнечно-штамповочное производство [1]. В настоящее время только незначительная часть в металлургическом производстве занимает специальная металлургия,

направленная на производство

конкурентоспособной металлопродукции.

Существуют ключевые приоритеты развития нанотехнологий, к которым относится применение процессов обработки давлением для получения новых материалов [2]. Многообразие методов порошковой металлургии, к которым относится компактирование нанопорошков, интенсивная пластическая деформация (ИПД), кристаллизация из аморфного состояния, обеспечивает широкие возможности для получения

наноматериалов. Перспективными

способами получения наноматериалов являются: спекание нанопорошков под давлением, кручение под гидростатическим давлением, знакопеременный изгиб, равноканальное угловое прессование [3].

В последние годы использование методов интенсивной пластической деформации для получения объемных наноструктурных материалов с

ультрамелкозернистой структурой в субмикрокристаллическом (размер зерен d ~ 100-1000 нм) или нанокристаллическом ^ < 100 нм) диапазонах становится одним из наиболее актуальных направлений обработки давлением и материаловедения. Такие материалы с новыми свойствами рассматриваются как перспективные конструкционные и функциональные материалы следующего поколения металлов и сплавов.

Любая пластическая деформация оказывает существенное влияние на микроструктуру и свойства материалов. Например, при интенсивной прокатке или протяжке происходит измельчение микроструктуры и формирование ячеек, субзерен и фрагментов, что может привести к определенному повышению их прочностных характеристик. Однако материалы, подвергнутые деформации этими традиционными методами, обычно обладают пониженной пластичностью, которая является одной из

фундаментальных характеристик,

необходимых для разработки новых конструкционных материалов. Как правило, и наноматериалы, получаемые

компактированием порошков, обладают так же очень низкой пластичностью и, более того, часто бывают хрупкими [3]. Это является причиной растущего интереса к развитию методов интенсивной

пластической деформации, позволяющих формировать ультрамелкозернистые (УМЗ) структуры и, как результат, приводить к новым физическим и механическим свойствам.

Равноканальное угловое (РКУ) прессование наряду с кручением под высоким давлением относится к методам ИПД, впервые использованным для получения УМЗ металлов и сплавов. Несмотря на активное развитие нескольких новых методов ИПД (всесторонней ковки, прокатки с наложением и соединением листов, специального циклического деформирования и ряда других), РКУ-прессование остается наиболее широко исследуемым методом ИПД. Кроме того, модернизация РКУ-прессования, в частности, при создании непрерывного процесса, может обеспечить его широкое практическое использование.

Целью работы является сравнительный анализ структуры и физико-механических свойств порошкового медно-титанового материала, полученного различными механическими схемами деформации.

Образцы изготавливали из

композиционного порошкового материала на медной основе. В качестве основной составляющей композиции использовали порошок стабилизированный медный марки ПМС-1 (ГОСТ 4960-75), форма частиц дендритная; в качестве легирующей добавки — порошок титана марки ВТ1-0 (ГОСТ 1.90013-81) 0,5 % по массе. Номинальная величина частиц порошка титана 0,063 мм, форма частиц -дендритная. Смешивание порошков меди и титана выполняли механическим методом в смесителе типа «пьяная бочка» в течение 0,5 ч. Образцы получали по следующей технологии: смешивание порошков, прессование, спекание, деформирование по двум схемам (РКУ-прессование и закрытая осадка при комнатной и повышенной температуре).

Двухстороннее прессование

призматических образцов выполняли на гидравлическом прессе модели ПД-476 усилием 1600 кН. Спекание производили в лабораторной печи СШОЛ-11.6/12-М3 по ступенчатому режиму в среде генераторного газа (состав газа: 72 % Н2, 21 % СО, 5,5 % СО2, 1,5 % Н2О). Деформирование пористых образцов осуществляли на том же гидравлическом прессе. РКУ выполняли в штампе с приложением противодавления 110 МПа (рис. 1). Основная особенность штампа для РКУ-прессования состоит в конструкции пресс-формы, вертикальный входной канал которой имеет круглое сечение, а горизонтальный (выходной) канал — прямоугольное сечение. Это обеспечивает полное заполнение внешнего угла каналов, способствует накоплению большей степени истинной деформации и более равномерному распределению внутренних напряжений. Закрытую осадку выполняли при максимальном давлении 225 МПа в штампе, показанном на рисунке 1, б. Закрытую осадку производили при комнатной (ХЗО) и повышенной температуре 500°С (ГЗО).

Металлургия и материаловедение

После каждой операции определяли плотность образцов методом

гидростатического взвешивания (ГОСТ 20018-74). Микроструктуру изучали с помощью оптического микроскопа МИМ-8. Микротвердость исследовали на приборе ПМТ-3 (ГОСТ 9450-76), а твердость — на

приборе Роквелла (ГОСТ 9013-59); испытание на сжатие выполняли на универсальной испытательной машине Z/D 10/90. Насыпная плотность порошковой смеси меди с титаном составила 1,65 г/см3 (ГОСТ 19440-74).

а б

а (1 — верхний пуансон, 2 — бандаж, 3 — призматическая матрица, 4 — заготовка, 5 — нижний пуансон, 6 — пружина, 7 — скоба, 8 — образец); штамп для РКУ — б (1 — крепление, 2 — скоба, 3 — бандаж, 4 — матрица, 5 — верхний пуансон, 6 — прессовка,

7 — противодавление, 8 — нижняя плита)

Рисунок 1 Штамп для закрытой осадки

Плотность порошковой смеси рассчитывали по формуле аддитивности:

100%

Р см

XCu + Xтi

Реи Рта

где ХСи — содержание меди в смеси, %; плотность меди рСи = 8,94 г/см3;

Хл — содержание титана в смеси, %; плотность титана рп = 4,505 г/см3.

Расчетная плотность образцов составила 8,89 г/см3.

Размеры и плотность прессовок после прессования приведены в таблице 1, после спекания — в таблице 2. После спекания плотность образцов увеличилась вследствие их усадки.

Размеры и плотность прессовок

Таблица 1

Схема деформации Размеры, мм Плотность, г/см3 Пористость, %

I - РКУ 012,75x54,30 7,64 14,06

II - ХЗО 12x12,7x54,2 7,59 14,96

III - ГЗО 12,0x12,5x54,2 7,57 14,88

Металлургия и материаловедение

Таблица 2

Размеры и плотность прессовок после спекания

Схема деформации Размеры, Плотность, Пористость,

мм г/см3 %

I 012,45x53,20 8,25 7,3

II 11,73x12,35x53,1 8,18 8,0

III 11,72x12,35x53,1 8,19 7,9

Изменения размеров и плотности образцов после различных схем деформации представлены в таблице 3.

Из анализа таблицы 3 следует, что после РКУ-прессования плотность по всему объему образца одинаковая, практически отсутствует разноплотность вследствие схемы всестороннего неравномерного сжатия (рис. 3). После холодной закрытой осадки плотность самая низкая из трех исследуемых схем деформации, причем у стенок матрицы она меньше, вследствие сил контактного трения. После горячей закрытой осадки это уменьшение несколько меньше.

В структуре образцов после спекания видны зерна меди, частицы титана и поры (рис. 3). Среднестатистическая величина

Плотность и размеры об

зерна меди составляет 21-22 мкм, размер частиц титана — 55 мкм, в то время как номинальный размер частиц порошка титана ВТ1-0 составляет 63 мкм.

Анализ микроструктуры после РКУ-прессования вдоль оси на боковой части образца показал ярко выраженную текстуру деформации: зерна меди и частицы титана вытягиваются вдоль направления деформирования (рис. 4, а) [4]. После холодной закрытой осадки сформировалась крупнозернистая равноосная структура с крупными частицами титана (рис. 4, б). Горячая закрытая осадка выполнена выше температуры рекристаллизации, что привело к образованию зерна меньшего размера, чем при холодной осадке (табл. 4) [5].

Таблица 3

зцов после деформации

Схема деформации Размеры, мм Плотность, г/см3 Пористость, %

I 10x10x35,5 8,89 0,088

II 9,57x12,7x54,2 8,66 2,67

III 8,72x12,7x54,2 8,76 1,54

г/см

8,8

8,7

8,6

— 1

— 2

— 3

0 10 20 30 40 50 I, мм 1 — РКУ-прессование; 2 — ГЗО; 3 — ЗО Рисунок 2 Распределение плотности по длине образца

Металлургия и материаловедение

Рисунок 3 Микроструктура после спекания, х500

ШВяЕ * 1 г

-Т ^/ЕЖй

Ов < f ЛЯ • '

-.-ЭДЙ?

*$mr5S5J -а? ь„' ®fT „ L '^irWl. ж- P> Ш ■

■^■wSK) MMN jnB

S^! ■ 'J

Ii "ük-. J'l ^ i • '.•Ü. j

а б

а — РКУ-прессования (средняя зона); б — ХЗО; в — ГЗО, х1440 Рисунок 4 Микроструктура после деформирования

Деформирование образцов по различным схемам деформации привело к измельчению зерна и частиц титана (табл. 4). Наименьший размер зерна меди и частиц титана получен после РКУ-прессования [6]. По изменению микротвердости оценивали уровень напряжений в образцах после различных схем деформации (рис. 5). Вследствие жесткой схемы напряженного состояния при РКУ-прессовании получен наиболее высокий уровень микротвердости, что и обеспечило высокую плотность образцов (рис. 5, а). После закрытой осадки

микротвердость меньше, что соответствует увеличению плотности.

Для оценки влияния схемы деформации на формирование механических свойств материала измеряли твердость и определяли предел текучести и предел прочности при сжатии. Характер распределения твердости аналогичен распределению микротвердости (рис. 5, б). Наиболее высокие прочностные свойства получены после РКУ-прессования, очевидно, вследствие более прочных контактных связей между частицами (табл. 5).

Размер зерна после деформирования

Таблица 4

dcu, мкм dji, мкм

РКУ-прессование 2,3-2,5 2,11

ХЗО 15,8 47,40

ГЗО 19,3 40,3

МПа 1200

1000

800

1

2

— 3

HRB 70

60

50

40

30

1

, 2

. 3

0 10 20 30 40 50 l, мм

а

0 10 20 30 40 50 l, мм б

Рисунок 5 Распределение микротвердости а и твердости - б после деформирования: 1 — РКУ-прессование; 2 — ХЗО; 3 — ГЗО

Таблица 5

Механические свойства

gt, МПа gb, МПа

РКУ-прессование 625 881,5

ХЗО 451,4 677,2

ГЗО 525 697,5

Вывод. Выполнены сравнительные исследования по влиянию схемы деформации на формирование структуры и физико-механических свойств

порошкового медно-титанового материала.

Библиографический список

Наименьшая величина зерна, наибольшая плотность, твердость и микротвердость, а также прочностные свойства получены после РКУ-прессования вследствие более прочных межчастичных связей.

1. Дубровский, В. А. Современные тенденции развития технологии в машиностроении и перспективы использования прогрессивных методов обработки металлов давлением [Текст] / В. А. Дубровский, Н. И. Подволоцкая, В. П. Ступников // Проблемы машиностроения и надежности машин, 2005. — № 5. — С. 3-6.

2. Колпаков, С. В. Перспективы развития мировой металлургии [Текст] / С. В. Колпаков / Металлург, 2005. — № 1. — С. 3-7.

3. Валиев, Р. З. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией [Текст] /Р. З. Валиев, И. В. Александров. — М. : Логос, 2000. — 272 с.

4. Рябичева, Л. А. Технология изготовления порошковых деталей методами пластического деформирования [Текст] /Л. А. Рябичева. — Луганск : изд-во ВНУ им. В. Даля, 2011. — 180 с.

5. Рябичева, Л. А. Структура и свойства порошковой меди после РКУ-прессования [Текст] / Л. А. Рябичева, Д. А. Усатюк, В. В. Смоляк, Т. А. Рябовол // 3-я Международная конференция HighMatTech. — Кигв, 2011. — C. 268.

6. Рябичева, Л. А. Новые порошковые материалы: структура и свойства [Текст] / Л А. Рябичева // Ресурсозберегаюч1 технолога виробництва та обробки матер1ал1в у машинобудуванм : зб. наук. пр. Луганськ. — Вид-во СНУ iм. В. Даля, 2011. — № 1(12). — С. 3-12.

© Рябичева Л. А.

Рекомендована к печати д.т.н., проф., зав. каф. МЧМДонГТУНовохатским А. М., пом. нач. сортопрокатного цеха ПАО «АМК», к.т.н. Чичканом А. А.

Металлургия и материаловедение

Статья поступила в редакцию 09.10.17.

д.т.н Рябiчева Л. О. (Луганський нац^ональний университет ¡м. В. Даля, Луганськ, ЛНР, e-mail ryabic@gmail. com)

ПЕРСПЕКТИВИ РОЗВИТКУ МЕТОД1В ОТРИМАННЯ НАНОМАТЕР1АЛ1В

У статт1 подано результати досл1дження структури та ф^зико-мехатчних властивостей порошкового м1дно-титанового матер1алу, отриманого р1зними мехамчними схемами дефор-мування. Найменшу величину зерна, найбыьшу щтьтсть, твердкть та мтротверд1сть отри-мано при РКУ-пресувант.

Ключовi слова: наноматер1али, РКУ-пресування, холодна закрита осадка, гаряча закрита осадка, щтьтсть, твердкть, мжротвердкть, межа мщност!.

Doctor of Eng. Riabicheva L. A. (V. Dahl LuhanskNational University, Lugansk, LPR) PROSPECTS OF DEVELOPING THE METHODS OF NANOMANUFACTURING

The paper presents the results of studying the structure and physical and mechanical properties of powdered copper-titanium material manufactured on various mechanical deformation schemes. The smallest grain size, the largest density, hardness, and microhardness have been achieved through CGS-pressing.

Key words: nanomaterials, CGS-pressing, cold closed sediment, hot closed sediment, density, hardness, microhardness, ultimate strength.