Preview

Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков
№ 4 (2020)
Скачать выпуск PDF

Процессы получения и свойства порошков

4-13 145
Аннотация

Проведена сравнительная характеристика агломератов, полученных методами распылительной сушки и грануляции, и консолидированных материалов на их основе. Представлены результаты исследований гранулированных в водной среде с добавлением агар-агара нанопорошков диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия (2,5 мол.%), полученных химическим осаждением, и приготовленного методом распылительной сушки порошка марки TZ-3Y-E производства «Tosoh Corp.» (Япония). Исследования агломератов, а также микрошлифов и изломов образцов проводили методами сканирующей электронной, оптической, атомно-силовой микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния света. Коэффициент трещиностойкости (K) образцов определяли методом индентирования полированной поверхности микрошлифов пирамидой Виккерса. Измеренная методом тепловой десорбции азота удельная поверхность порошков при гранулировании остается неизменной, что указывает на значительную открытую пористость полученных агломератов. При увеличении давления прессования в условиях полусухого прессования с водным раствором поливинилового спирта в качестве связки происходит разрушение агломератов и даже агрегатов гранулированных порошков, коэффициент K возрастает при повышении давления прессования и сопровождающем его измельчении микроструктуры материала. Порошки, агломерированные с применением распылительной сушки, разрушаются значительно менее интенсивно, K не изменяется с увеличением давления прессования. Проведенные исследования позволяют согласиться с авторами, указывающими на фрактальную природу агломератов, полученных из химически осажденных нанопорошков без использования распылительной сушки. Применение гранулированных нанопорошков при полусухом прессовании с приложением высоких давлений позволяет разрушить не только агломераты, но и агрегаты и получить наноструктурированную керамику с размером зерна, близким к размеру первоначальных частиц.

14-21 83
Аннотация

Для получения композитных частиц СuCr использован метод осаждения меди из раствора ее сульфата на частицы порошка хрома при одновременной механической активации (МА) смеси в планетарной шаровой мельнице АГО-2 в течение 5 мин. Концентрация CuSO4·5H2O в растворе при полном восстановлении меди обеспечивала молярное соотношение Cu/Cr = 1. Осажденная мелкокристаллическая медь обладает высокой активностью и на воздухе быстро окисляется до оксида Cu2O, поэтому отмывку, сушку и хранение полученных композитных порошков проводили в атмосфере аргона. После сушки дополнительно выполняли МА смеси в течение 5 мин. При МА в растворе начинают формироваться композитные частицы с ламинатной структурой. Из полученных порошков прессовали таблетки диаметром 3 мм, высотой до 1,5 мм и плотностью 4,2–4,5 г/см3. Образцы спекали в атмосфере аргона при температуре 700–1400 °С. Для сравнения микроструктур также спекали образцы из смесей порошков металлов Cr и Cu с объемным соотношением хрома и меди 50 : 50, полученных простым смешением в фарфоровой ступке в течение 20 мин и МА длительностью 10 мин. В зависимости от температуры нагрева можно выделить три области формирования структуры сплава. При температурах нагрева ниже температуры плавления эвтектики композитные частицы спекаются в отдельных точках. При температурах нагрева выше температуры ликвидуса осуществляются плавление и фазоразделение сплава; одна часть образца состоит из меди, обогащенной хромом, другая – из хрома, обогащенного медью. При промежуточных температурах нагрева происходит жидкофазное спекание, сопровождающееся фазоразделением. Частицы хрома, обогащенные медью, приобретают сферическую форму и находятся в медной матрице, обогащенной хромом. Сравнение спеченных в одинаковых условиях образцов из смесей порошков, полученных разными способами, показало, что более равномерную и мелкозернистую структуру имеют образцы с осажденной медью.

Теория и процессы формования и спекания порошковых материалов

22-32 131
Аннотация

Проведен теоретический анализ процесса одностороннего прессования порошковых материалов, обладающих пластичностью и сжимаемостью. Учитывается наличие сухого внешнего трения между материалом и боковыми стенками пресс-формы, что определяет сильную нелинейность рассматриваемой задачи. Данная задача обладает рядом особенностей, затрудняющих ее численное решение: наличие внешнего трения, упругопластичный закон описания поведения материала, а также расчет больших перемещений и, как следствие, сильная геометрическая нелинейность. Для учета этих факторов была использована комбинация моделей Флека–Куна–МакМикинга и Гурсона–Твергарда–Нидлмана, позволяющая рассматривать широкий диапазон изменения пористости материалов. Численное решение задачи осуществлялось с применением конечно-элементного анализа с использованием изопараметрических элементов. Приращение пластических деформаций на каждом шаге определялось из нелинейных уравнений пластического течения. Для расчета поведения материала при деформировании требовалось обновлять напряжения в гауссовых точках по заданным приращениям деформаций. Выполнялся расчет неизвестных величин плотности и напряжения, которые являются функциями координаты и времени. Рассматривалось влияние разного отношения высоты заготовки к ее диаметру и величины внешнего трения на динамику напряженно-деформированного состояния и кинетику уплотнения материала, исследовалось распределение эквивалентных напряжений и величины объемных пластических деформаций в материале, а также неравномерность относительной плотности в конце периода прессования. Проведенный теоретический анализ позволил установить основные закономерности кинетики уплотнения неравноплотных порошковых материалов в условиях сухого трения на боковых стенках. Полученные результаты имеют актуальность для прогнозирования возможных негативных изменений геометрии заготовки при реализации схемы одностороннего прессования порошковых материалов.

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС)

33-43 108
Аннотация

Проведены экспериментальные исследования и с помощью разработанной математической модели выполнены теоретические расчеты волнового синтеза в системе Ni–Al–Cu. Получены приближенные аналитические формулы для оценки характеристик синтеза. С использованием данных экспериментов и аналитических соотношений методом обратной задачи найдены кинетические константы, определяющие динамику процесса. Показано, что при повышении относительной плотности реакционного образца в диапазоне значений относительной плотности от 0,4 до 0,6 скорость распространения фронта горения монотонно растет. Глубина проникновения расплава меди из центра образца в никельалюминиевую матрицу зависит от относительной плотности образца и диаметра медной проволоки: более высокие их значения приводят к увеличению области жидкофазной пропитки. Темп смачивания расплавом меди порошкового каркаса из никеля и алюминия лимитируется скоростью волны синтеза. На основе опытных данных и аналитических соотношений проведена оценка эффективных кинетических констант, характеризующих высокотемпературный синтез реакционной смеси Ni + Al в присутствии добавок меди. Вычислены тепловой эффект реакции образования интерметаллида NiAl и предэкспоненциальный множитель в уравнении химического превращения; установлена величина показателя степени в соотношении для теплопроводности смеси; найдена константа, определяющая процесс пропитки расплавом меди никель-алюминиевой матрицы. Макроскопический подход, используемый для анализа процесса синтеза интерметаллида NiAl, позволяет определить все искомые физико-химические характеристики и параметры модели. Математическая модель пригодна для прогностических оценок и анализа экспериментальных данных в макроскопическом приближении. Получены приближенные аналитические формулы для расчета характеристик синтеза интерметаллида NiAl. Они позволяют рассчитывать характеристики сквозного канала и могут быть применены для расчета изделий из NiAl.

44-54 81
Аннотация

Исследовано влияние режимов смешения порошковых смесей титана и бора состава 81,5 % Ti + 18,5 % B в шаровой мельнице на технологические характеристики смесей, параметры горения и микроструктуру СВС-композитов. Показано, что зависимость удельного электросопротивления от плотности шихтовых прессовок для данного состава можно использовать в качестве критерия качества смешения, однородности смесей. Отмечено, что увеличение массы размольных тел включает механизм механоактивации (МА) смесей. Для всех изученных смесей построены зависимости скорости и температуры горения от плотности. Скорости горения для смесей, подвергнутых механоактивации (отношение масс шихты и шаров Мшхшр = 1 : 7; 1 : 12), и без нее (Мшхшр = 1 : 4) существенно отличаются. Для МА-смесей характерны различия по скоростям горения для шихтовых прессовок разной толщины. Тонкие прессовки горят с более высокой скоростью. Скорость горения смесей без МА (в случае меньшей массы размольных тел) от толщины прессовок не зависит. Максимальные температуры горения всех исследуемых смесей в зависимости от плотности, времени смешения и массы размольных тел имеют незначительные различия. Влияние толщины прессовок на температуру горения также не выявлено. Структура СВС-композитов зависит от режимов смешения. Мелкодисперсная структура композитов с зернами из диборида титана (менее 1 мкм) и связующей фазой на основе титана может быть получена только из МА-смесей. Из смесей, для которых процессы механоактивации не существенны, синтезированы сплавы со структурой, состоящей, в основном, из вытянутых зерен моноборида титана (до 40 мкм) и связующей фазы из твердого раствора бора в титане.

Тугоплавкие, керамические и композиционные материалы

55-65 93
Аннотация

Твердые сплавы – распространенный материал, широко применяемый в инструментальной промышленности. Содержание в их составе тугоплавких карбидов придает твердосплавному инструменту высокую твердость (от 80 до 92 HRA) и теплостойкость (от 800 до 1000 °С), позволяющие использовать при работе с ним скорости резания, в несколько раз превышающие таковые для быстрорежущих сталей. Однако, в отличие от последних, твердые сплавы имеют пониженную прочность (от 1000 до 1500 МПа) и не обладают ударной вязкостью, что является актуальной проблемой. Было изучено влияние режимов термоциклирования на механические и трибологические свойства твердого сплава ВК8 (WC–8Co), служащего материалом для изготовления резцов и режущих пластин для обработки металлов на металлорежущих станках. В качестве объекта исследования выбраны штабики из сплава ВК8 размером 5×5×35 мм, изготовленные методами порошковой металлургии на Димитровградском инструментальном заводе. Критериями оценки режимов термообработки (ТО) были твердость по Виккерсу, предел прочности на изгиб, износостойкость по массе (по сравнению с износом термически не обработанного образца в состоянии поставки). Пластины в исходном состоянии и после ТО подвергали испытаниям на абразивный износ. Результаты изнашивания оценивали по изменению их массы. Определены закономерности влияния различных временных и температурных режимов ТО на трибологические характеристики изделий из вольфрамовых твердых сплавов группы ВК. Увеличение количества циклов термоциклирования приводило к повышению таких механических характеристик сплава ВК8, как прочность и твердость. При 5-кратном повторении циклов было получено улучшение абразивной износостойкости по сравнению с исходным образцом без ТО. Элементный состав твердого сплава ВК8 после термоциклирования изменялся незначительно – отмечалось лишь несущественное возрастание кислорода на поверхности пластин. Размер зерна после термоциклирования, по сравнению с исходным образцом, увеличился. Установлено, что циклическая ТО сплава ВК8 приводит к изменению фазового состава. Рентгенофазовый анализ показал присутствие большого количества α-Со с гексагональным плотноупакованным типом решетки на поверхности твердого сплава и твердого раствора WC в α-Со. Изменение соотношения модификаций кобальта служит причиной ослабления микронапряжений. Анализ состояния структуры карбидной фазы показал, что после термоциклирования размер кристаллитов и величина микронапряжений изменились. Период решетки твердого раствора кубической модификации кобальта уменьшился, что может свидетельствовать о снижении количества растворенного в нем карбида вольфрама и углерода. Статистическая обработка результатов эксперимента включала расчет среднего значения механической характеристики, ее дисперсии и среднеквадратичного отклонения в выбранном доверительном интервале.

66-75 84
Аннотация

Алюмоматричные дисперсно-упрочненные композиционные материалы находят широкое применение в технике благодаря сочетанию высоких прочностных характеристик и малой плотности, что позволяет создавать легкие и устойчивые к разрушению элементы конструкций различного назначения. Они используются для изготовления абразивных, триботехнических изделий, деталей поршневой группы двигателей внутреннего сгорания, планера самолета и других специальных изделий. Цель работы состояла в изучении механизма разрушения слоистого дисперсно-упрочненного композита Al–Al2O3–Al4C3 в условиях статического нагружения и удара. Его получали жидкофазным спеканием в вакууме порошковых заготовок из ПАП-2. Жидкая фаза образовывалась вследствие возникновения эвтектического расплава Al–Al4C3. Формирование слоистой структуры обеспечивалось благодаря жидкофазному сращиванию чешуйчатых частиц ПАП-2 по контактирующим плоскостям. Дисперсионное упрочнение алюминиевой матрицы достигалось в результате выделения из эвтектического расплава при охлаждении наноразмерных пластинчатых алюмокарбидных кристаллов. Синтез алюмооксидных кристаллов – δ-Al2O3 – происходил вследствие взаимодействия алюминия с остаточными молекулами кислорода воздуха в процессе спекания при разрежении в печи – 10–5 мм рт. ст. Установлено, что при статическом нагружении наблюдается стабильное разрушение образцов по механизму «расслоения сдвигом» с возникновением полостей за счет вырыва слоистых блоков под действием сдвиговых напряжений (σизг = 430÷500 МПа, К = 14,0÷15,5 МПа·м1/2). При ударном нагружении в разрушение вовлекается значительный объем материала с образованием ступенек скола между слоистыми блоками и протяженных областей ямок вязкого излома. Благодаря этому механизму достигается высокий показатель KCU (1,1·105 Дж/м2), сопоставимый с титановым сплавом ВТ-5Л. Разработанный композит может использоваться для изготовления легких элементов конструкций, эксплуатируемых в условиях динамического нагружения.

Наноструктурированные материалы и функциональные покрытия

76-84 114
Аннотация

Настоящая работа является продолжением исследований влияния магния на структурно-фазовый состав и физико-механические свойства наноструктурированных деформационно-упрочняемых алюминий-магниевых сплавов, модифицированных фуллереном C60 [1]. Полученные ранее механолегированные порошки композитов [1] были консолидированы методом прямой горячей экструзии. Режим консолидации был подобран на основании результатов изучения особенностей формирования структуры и фазового состава при механолегировании и термической обработке. Установлено, что с увеличением концентрации магния наблюдается повышение механических свойств экструдированных наноструктурных композиционных материалов, при этом модифицирование фуллереном С60 позволяет стабилизировать полученную при механолегировании зеренную структуру и замедлить распад α-твердого раствора магния в алюминии вплоть до 300 °С. При аналогичной термобарической обработке сплава Al82Mg18 (АМг18), не модифицированного фуллереном С60, отмечаются уменьшение параметра решетки α-твердого раствора и увеличение среднего размера кристаллитов, сопровождающиеся последовательным образованием γ-, β′- и β-фаз, при этом γ- и β′-фазы являются промежуточными. Зеренная структура экструдированных образцов типична для материалов, полученных таким способом, – зерна плотно упакованы, вытянуты и ориентированы вдоль оси экструзии, при этом прослеживается наследование морфологии механолегированных порошков. Использование методов механолегирования и интенсивной пластической деформации (экструзии) позволило достичь значительного улучшения ряда механических свойств. Получены материалы с пределом прочности при растяжении 880 МПа, пределом прочности при изгибе 1100 МПа, микротвердостью до 3300 МПа при сохранении плотности на уровне 2,4–2,6 г/см3. Таким образом, показана перспективность применения методов порошковой металлургии для получения новых наноструктурных композиционных материалов, модифицированных фуллереном С60, с повышенным уровнем физико-механических свойств.

Хроника

 
85 68
Аннотация

25 декабря 2020 г. исполнилось 75 лет доктору технических наук, проф. АА. Лозовану



ISSN 1997-308X (Print)
ISSN 2412-8767 (Online)