Preview

Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков
№ 1 (2020)
Скачать выпуск PDF

Процессы получения и свойства порошков

4-10 64
Аннотация
Для получения композитных частиц Cu–Ti использован метод осаждения меди из раствора ее сульфата на частицы порошка титана при одновременной механической активации (МА) смеси в планетарной шаровой мельнице АГО-2 в течение 5 мин. Концентрация CuSO4 ·5H2O в растворах составляла 10 и 16 %, что при полном восстановлении меди обеспечивало молярное соотношение Cu/Ti = 0,85 и 1,36 соответственно. При МА происходит быстрое восстановление меди в виде высокодисперсного частично аморфизованного порошка и формируются композитные частицы с тонкой ламинатной структурой и высокой реакционной способностью. Отмывку и хранение полученных композитных порошков проводили в атмосфере аргона, так как восстановленная медь обладает высокой активностью и на воздухе быстро окисляется до оксида Cu2O. После сушки дополнительно проводили МА смеси в течение 5 мин. Из полученных порошков прессовали таблетки диаметром 3 мм и высотой до 1,5 мм с последующим их нагревом в атмосфере аргона до температур 700–1200 °С. При нагреве образцов начиналась интенсивная реакция с выделением тепла (тепловой взрыв) и образованием интерметаллидов TiCu, Ti2Cu3 и Ti2Cu. Критическая температура воспламенения для композитных порошков, полученных МА с одновременным осаждением меди из раствора, составляет 480 °С, что на 400 °С ниже температуры воспламенения обычной смеси порошков титана и меди. При температуре нагрева, близкой к температуре плавления, сплав имеет дендритную структуру, а в случае ее превышения более чем на 100 °C распределение фаз в сплаве становится более однородным, а их размер уменьшается.
11-21 41
Аннотация
Особенностью получения металлических порошков электролизом на постоянном токе является изменение морфологии частиц по толщине слоя рыхлого осадка вплоть до образования крупных сферолитов. Для создания однородного по составу порошка необходимо периодически счищать осадок с катода. В настоящей работе обоснован выбор параметра, характеризующего изменение свойств рыхлого осадка, и предложен способ определения периодичности отделения его от катода. Рыхлые осадки цинка получали при температуре 25 °С из цинкатного электролита, содержащего 0,3 моль·л–1 ZnO и 4 моль·л–1 NaOH, при задании тока, превышающего в 6 раз предельный диффузионный ток в расчете на гладкий электрод. Непосредственно в процессе электролиза были выполнены измерения потенциала электрода, толщины осадка и объема выделившегося водорода. Перераспределение токов между выделениями металла и водорода приводит к изменению структуры частиц рыхлого осадка. Показано, что значение дифференциального выхода по току цинка является показателем, характеризующим изменение плотности рыхлых осадков цинка. Для осаждения однородного по свойствам рыхлого осадка его величина не должна превышать 0,96. Дальнейшее увеличение выхода по току приведет к образованию сростков на фронте роста осадка. Для определения периодичности удаления рыхлого осадка с катода предложено использовать эмпирическое уравнение зависимости дифференциального выхода по току цинка от времени. Проведен математико-статистический анализ данных, полученных в 6 параллельных опытах. Использование интервального подхода позволило существенно сузить трубку допустимых значений дифференциального выхода по току и, как следствие, определить с приемлемой точностью коэффициенты эмпирического уравнения и рассчитать время наращивания однородного по структуре осадка. Полученный подход может быть использован для оценки времени осаждения рыхлых осадков металлов, сопровождающихся выделением водорода.
22-28 106
Аннотация
Проведено исследование влияния поверхностно-активных веществ (ПАВ) на дисперсность нанопорошков (НП) железа, кобальта и никеля, полученных химико-металлургическим методом – водородным восстановлением их гидроксидных соединений FeOOH, Co(OH)2 и Ni(OH)2 при температурах 400, 285 и 280 °С соответственно. Эти гидроксиды заранее были синтезированы химическим осаждением из соответствующих растворов нитрата раствором щелочи NaOH (10 мас.%) с использованием додецилсульфата натрия (ДСН) (0,1 %) и динатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА) (0,3 %). Для изучения указанных НП применяли методы рентгеновской дифрактометрии, сканирующей электронной микроскопии, измерения удельной поверхности по низкотемпературной адсорбции азота. Согласно рентгенофазовому анализу все полученные образцы НП Fe, Co и Ni содержат чистые металлические фазы. Результаты электронного микроскопического анализа и измерения удельной поверхности порошковых образцов свидетельствуют, что добавление различных ПАВ в исходную среду синтеза гидроксидных соединений оказывает значительное влияние на дисперсность полученных НП. Выявлено, что добавка 0,1 % ДСН приводит к уменьшению среднего размера полученных частиц, а присутствие 0,3 % ЭДТА способствует образованию более крупных частиц металлов. Показано, что использование 0,3 % ЭДТА при осаждении исходных гидроксидных прекурсоров позволяет получить металлические НП с наиболее узкими распределениями кристаллитов по размерам.

Теория и процессы формования и спекания порошковых материалов

29-35 50
Аннотация
Проведены эксперименты по высокоэнергетической обработке поверхности подложки из конструкционной стали Ст.3 потоком частиц порошков вольфрама, никеля и нитрида титана. Выполнена оценка давления соударения частиц, разогнанных энергией взрыва, на стальную мишень с использованием уравнения сохранения импульса и линейного уравнения ударной адиабаты материала частиц. Установлено, что давление соударения частиц на мишень составляет, ГПа: 62 (для частицы вольфрама), 48 (никель), 41 (нитрид титана). Осуществлен расчет температуры нагрева частицы при соударении с поверхностью стальной мишени с учетом условий сохранения массы и импульса на фронте ударной волны. Максимальная температура нагрева частиц в месте их соударения с поверхностью подложки (при скорости частиц 2000 м/с) составляет, К: 1103 (для частиц вольфрама), 755 (никель), 589 (нитрид титана). Показано, что при высокоэнергетической обработке стальной мишени потоком частиц ее твердость повышается. Максимальное упрочнение поверхностного слоя стальной мишени по сравнению с исходной микротвердостью увеличивается на 32–55 % и наблюдается на глубине 2–4 мм от поверхности обработки. Затем оно снижается до величины микротвердости исходного материала (170 HV) на расстоянии 15–20 мм от обрабатываемой поверхности.

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез

36-40 38
Аннотация
Работа посвящена получению порошков МАХ-фаз Ti2AlC и Ti3AlC2 методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) по схеме магнийтермического восстановления из оксидного сырья. Источником титана служил его оксид TiO2 , в качестве восстановителя использовался магний. Очистку от оксида магния проводили в разбавленной соляной кислоте при температуре 70 °С и концентрации 1 : 3. Выход целевого продукта при магнийтермическом восстановлении составляет 35–40 %. Выявлено, что при стехиометрическом соотношении компонентов продукт синтеза после химического выщелачивания в соляной кислоте состоит из Ti2AlC, MgAl2O4 и TiC. Формирование шпинели MgAl2O4 связано с недостатком восстановителя магния в шихте, при этом часть алюминия вступает в реакцию восстановления титана из его оксида с образованием Al2O3 . Это приводит к получению шпинели MgO·Al2O3 . Увеличение содержания избыточного магния в шихте от 20 до 30 мас.% обусловливает полное восстановление титана из его оксида магнием с образованием МАХ-фазы Ti2AlC и карбида титана. Снижение количества углерода в шихте на 10 мас.% влечет уменьшение доли карбида титана до 4 %. При избыточном содержании сажи от 20 до 35 % образуется продукт, содержащий МАХ-фазы Ti3AlC2 , Ti2AlC и TiC, причем массовая доля Ti3AlC2 повышается от 86 до 89 % соответственно. Полученные порошки представляют собой агломераты (87 % из них меньше 65 мкм), состоящие из тонких пластин МАХ-фаз толщиной 70–100 нм.

Тугоплавкие, керамические и композиционные материалы

41-54 80
Аннотация
Предложен новый метод получения керамоматричного композиционного материала на основе карбида кремния, упрочненного дискретными углеродными волокнами и монокристаллическими нановолокнами карбида кремния. В зависимости от макрокинетических характеристик процесса горения на поверхности углеродных волокон могут формироваться диффузионные слои, керамические частицы карбида кремния либо нановолокна карбида кремния диаметром 10–50 нм и длиной 15–20 мкм. Исследована стадийность химических превращений и структурообразования в волне горения смесей Si–C–C2F4 и Si–C–C2F4 –Та. Выращенные в волне горения нановолокна карбида кремния имели высокую кристалличность и бездефектную границу раздела TaSi2/SiC. Разориентировка решеток на границе раздела составляет порядка 6 %. Нановолокна релаксируют механические напряжения во время роста за счет вращения вокруг своей оси, совпадающей с направлением роста. Оптимальная температура горения для роста нановолокон карбида кремния составляет 1700 К при соотношении C2F4 : C = 2 в реакционной смеси. Нижний порог роста нановолокон карбида кремния определяется снижением выхода реакционно-способных фторидов, тогда как более высокий порог обусловлен отказом механизма блокировки адсорбции на поверхности нановолокон и дестабилизацией капли TaSi2 + Si. Горячим прессованием получены дискретно армированные углеродными волокнами и нановолокнами карбида кремния композиты с керамической матрицей SiС–TaSi2 , имеющие относительную плотность 98 %, твердость 19 ГПа, прочность на изгиб 420 МПа, трещиностойкость 12,5 МПа·м1/2 . Установлено увеличение прочности границы раздела «углеродное волокно матрица», в результате которого вытягивание углеродных волокон из матрицы в значительной степени подавляется.
55-64 38
Аннотация
Исследовано влияние добавок борида никеля (Ni3B) на фазо-структурообразование, физико-механические свойства и устойчивость к абразивному изнашиванию порошкового материала на основе системы «железо–высокоуглеродистый феррохром (35 мас.%)». Обнаружено, что добавки Ni3B B обеспечивают формирование многофазной микрогетерогенной структуры материала матрично-наполненного типа, состоящей из хромистой стали и твердых включений сложных карбидов хрома и железа (таких, как Ме3С, Me7C3 , Me23C6 ) и боридов (FeB, Fe2B), повышающих микротвердость твердой составляющей от 8,34 до 11,65 ГПа. Также выявлено, что увеличение содержания легирующей добавки от 3,5 до 8,7 мас.% улучшает устойчивость материала к абразивному изнашиванию (от 6,9 до 12,2 км/мм) и снижает твердость (от 75 до 68 HRA) и прочность на изгиб (от 1560 до 844 МПа). Методом оптической профилометрии изучены топографические особенности морфологии изношенных поверхностей для оценки глубины и локального развития процесса разрушения поверхности образцов с использованием стандартизированных параметров шероховатости, вычисленных из 2D- и 3D-профилей. Установлено, что усредненные параметры шероховатости поверхности для материалов, легированных боридом никеля, составляют, мкм: Ra = 0,44÷0,6, Rz = 0,49÷1,2, Rp = 0,26÷0,56, а для базового материала: Ra = 1,860, Rz = 0,813, Rp = = 3,356 мкм. Показано, что перспективными составами, сочетающими требуемые физико-механические свойства и повышенную стойкость против абразивного изнашивания закрепленными частицами алмазного круга, являются материалы на основе системы Fe–35%ФХ800, содержащие 5,2–6,9 мас.% Ni3B.

Наноструктурированные материалы и функциональные покрытия

65-74 51
Аннотация
Исследованы физико-химические характеристики, а также механизмы газовой чувствительности оксида никеля (NiO) и феррита никеля (NiFe2O4), полученных методом левитационно-струйного синтеза. Свойства синтезированных материалов изучены с помощью различных спектроскопических методов. По данным РФЭС присутствие ионов Ni3+ в образцах значительно снижается с ростом удельной поверхности порошков и уменьшением среднего диаметра их частиц. В связи с этим можно сделать вывод о том, что количество нескомпенсированных вакансий Ni2+ в таких образцах также снижается, а концентрация O2–-вакансий, напротив, существенно увеличивается. В спектрах комбинационного рассеяния наноразмерного NiO отсутствовала магнонная полоса, которая обычно наблюдается при ν = 1500 см–1 , тогда как в спектре наноферритового образца присутствовала ярко выраженная 2М-полоса, что говорит о повышении спиновой корреляции. Анализ УФ-спектров полученных образцов показал, что для крупных наночастиц наблюдается рост значений отражающей способности с увеличением длины волны по сравнению с соответствующими значениями для частиц малого размера. В связи с этим нами было сделано предположение о том, что оксидные наночастицы на основе Ni являются полупроводниковыми, с косвенным переходом к энергии запрещенной зоны, и это резко контрастирует с данными, полученными ранее другими исследователями. Газочувствительность наноразмерных порошков была изучена применительно к монооксиду углерода и диоксиду азота при рабочих температурах 350–500 °С. Оценка полученных результатов позволила сделать вывод о том, что эксплуатационные характеристики предлагаемых нами датчиков по ряду параметров превосходят аналогичные характеристики датчиков, изготовленных из коммерческих порошков, а также порошков, полученных с помощью других синтетических методов.

Применение порошковых материалов и функциональных покрытий

75-86 49
Аннотация
Представлен обзор результатов применения металлизационных покрытий для защиты наружной поверхности оборудования установок электрических центробежных насосов (УЭЦН) от воздействия осложняющих факторов в нефтяных скважинах. Металлизационное покрытие наносится по технологии газотермического напыления, выбор метода основывается исходя из химического состава, используемых материалов и свойств готового покрытия. К наиболее распространенным на рынке РФ покрытиям относятся монель и сплавы на основе аустенитной нержавеющей стали, наносимые методами электродуговой металлизации или высокоскоростного напыления. Получаемые методами газотермического распыления традиционные покрытия характеризуются недостаточно высоким уровнем физических, механических и химических свойств. Исследования аварийных корпусов погружных электродвигателей (ПЭД) показывают, что к числу наиболее существенных недостатков применяемых покрытий относятся: недостаточная стойкость к ударным механическим воздействиям, а также к абразивному износу; более высокий по отношению к основному металлу электрохимический потенциал; нарушения технологии нанесения; значительная пористость покрытий. Одной из основных причин наблюдаемых недостатков является ограниченное число традиционно используемых методов и материалов. Для решения проблемы применения защитных покрытий ПЭД, существенного повышения их свойств, ресурса работы и экономической эффективности необходимо использовать современные достижения науки в разработке покрытий для защиты металлических поверхностей от износа и коррозии, а именно: расширить число методов и материалов для нанесения покрытия; отработать методику оценки качества покрытий; разработать методику оценки экономической эффективности применения защитных покрытий. Решение поставленных задач позволит сделать обоснованный технико-экономический выбор конкретного покрытия ПЭД для конкретных условий эксплуатации.


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