CC BY
15
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 4
УДК 621.762 DOI: 10.17213/1560-3644-2020-4-46-50
АКТИВАЦИЯ МЕЖЧАСТИЧНОЙ ПОВЕРХНОСТИ СРАЩИВАНИЯ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ КОМПОЗИЦИИ WC-Cu
© 2020 г. С.Н. Миронова1, Р.В. Егорова2, А.А. Мецлер3, С.Н. Егоров1, А.С. Миронова1
1Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И.Платова, г. Новочеркасск, Россия, 2Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, Россия, 3Волгодонский инженерно-технический институт - филиал ФГАОУ ВО Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Волгодонск, Россия
ACTIVATION OF INTERPARTICLE SPLICING SURFACE IN THE FORMATION OF THE COMPOSITION OF WC-Cu
S.N. Mironova1, R. V. Egorova2, A.A. Metsler3, S.N. Egorov1, A.S. Mironova1
1Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia, 2Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russia, 3 Volgodonsk Engineer-Technical Institute the Branch of «National Research Nuclear University «MEPhl», Volgodonsk, Russia
Миронова Светлана Николаевна - ст. преподаватель, кафедра «Технология машиностроения, технологические машины и оборудование», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: mironova_svetlan@mail.ru
Егорова Римма Викторовна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Физическое и прикладное материаловедение», Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, Россия. E-mail: aquavdonsk@icloud.com
Мецлер Андрей Альбертович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Машиностроение и прикладная механика», Волгодонский инженерно-технический институт - филиал ФГАОУ ВО Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Волгодонск, Россия. E-mail: metsler.albert@yandex.ru
Егоров Сергей Николаевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Технология машиностроения, технологические машины и оборудование», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: yegorov50@mail.ru
Миронова Анна Сергеевна - студентка, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия., E-mail: mironova_svetlan@mail.ru
Mironova Svetlana N. - Senior Lecturer, Department «Engineering Technology, Technological Machines and Equipment», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: mironova_svetlan@mail.ru
Egorova Rimma V. - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department «Physical and Applied Materials Science», Don State Technical University, Rostov-on-don, Russia. E-mail: aquavdonsk@icloud.com
Metsler Andrey A. - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department «Mechanical Engineering and Applied Mechanics», Volgodonsk Engineer-Technical Institute the Branch of «National Research Nuclear University «MEPhl», Volgodonsk, Russia. E-mail: metsler.albert@yandex.ru
Egorov Sergey N. - Doctor of Technical Sciences, Professor, Department «Engineering Technology, Technological Machines and Equipment», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: yegorov50@mail.ru
Mironova Anna S. - Student, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia, E-mail: mironova_svetlan@mail.ru
Рассмотрена активация контактной межчастичной поверхности при формировании порошковой композиции ЖС-Сы. Данный процесс является основой образования качественного сращивания, так как обусловливает высокий уровень функциональных свойств материала. Использовано положение о том, что для активации поверхностных атомов необходимо обеспечить разрыв связи с ионами кислорода и возникновение металлической связи между поверхностными атомами формируемого материала. Для реализации этого процесса надо атому сообщить дополнительную энергию в ходе пластического деформирования за счет действия поля упругих напряжений в ядре дислокации. Показано, что активация поверхностных атомов меди возможна при пластическом деформировании материала, сопровождающимся повышением плотности дислокаций.
Ключевые слова: контактная поверхность; межчастичное сращивание; активация; активный центр; ядро дислокации.
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 4
Activation of the contact interparticle surface during the formation of a WC-Cu powder composition is considered. This process is the basis for the formation of high-quality splicing, which causes a high level of functional properties of the material. The calculation is based on the assumption that in order to activate surface atoms, it is necessary to break the bond with oxygen ions and create a metallic bond between the surface atoms of the material being formed. To implement this process, it is necessary to inform the atom of additional energy during plastic deformation due to the action of the elastic stress field in the dislocation core. It is shown that activation of surface copper atoms is possible with plastic deformation of the material, accompanied by an increase in the dislocation density.
Keywords: contact surface; interparticle splicing; activation; active center; dislocation core.
Композиции карбид вольфрама - медь применяются для изготовления деталей, которые должны обладать высокими теплостойкостью, электропроводностью, теплопроводностью, износостойкостью и сопротивлением к дуговой эрозии. Они находят широкое применение в ди-верторных компонентах термоядерных реакторов в качестве барьера между плазменной облицовочной вольфрамовой плиткой и медным теп-лоотводом дивертора, электроконтактов, например, в силовых трансформаторах. Основной технологией изготовления деталей из WC-Cu композиций является порошковая металлургия. Повышение эксплуатационных свойств порошковых изделий достигается правильным выбором технологии и режимов ее реализации. Целью данной работы является обеспечение условий формирования качественного межчастичного сращивания порошковой композиции WC-Cu.
Анализ формирования межчастичного сращивания осуществляли применительно к порошкам меди марки ПМС-В ГОСТ4960-2009 и карбида вольфрама марки 95 ТУ 48-19-456-88.
Формирование порошковых материалов сопровождается различными явлениями, особое место среди которых занимает межчастичное сращивание. Его сущность заключается в образовании связей межатомного взаимодействия на контактных поверхностях, возникающих между ионами материала в ходе уплотнения порошкового тела [1].
Для объяснения необходимости пластической деформации в создании качественного сращивания при уплотнении порошковой композиции воспользуемся понятием активного центра контактной поверхности [2]. На атомном уровне сущность сращивания заключается в установлении химической связи между поверхностными ионами материала, сблизившимися на расстояние, соизмеримое с параметром кристаллической решетки. Ювенильная металлическая поверхность может существовать только в абсолютном вакууме. В [3] показано, что хемосорбированный
слой кислорода образуется на металлической поверхности при атмосферном давлении за 10-9 с, а при давлении 10-4 Па - за 2 с. Поэтому в реальных технологических процессах порошковой металлургии необходимо учитывать, что поверхность частицы порошка покрыта хемосорбиро-ванным или оксидным слоем, возникновение которого обусловлено нескомпенсированностью химической связи поверхностного иона вследствие уменьшения координационного числа по сравнению с ионом, находящимся в объеме материала (М). Формирование контактирующих ювенильных поверхностей происходит в условиях пластического деформирования, при котором разрываются связи М-О и возникают связи М-М. Поэтому межчастичное сращивание является энергетически активируемым процессом и его самопроизвольное протекание возможно в пределах активного центра, представляющего собой область контактной поверхности, в которой смещение ионов материала относительно положения равновесия соответствует их энергетическому состоянию, достаточному для разрыва связей М-О.
Вероятность одновременного образования пары активных центров, находящихся в поле их взаимодействия, практически равна нулю [3 - 7], следовательно, для возникновения металлической связи между поверхностными атомами достаточно возникновения активного центра на одной контактной поверхности. При формировании WC-Cu композиции, характеризующейся существенным различием значений механических свойств, определяющих сопротивление пластической деформации (о0,2 = 70 - 80 МПа у меди и о0,05 > 1000 МПа у карбида вольфрама), вторая стадия уплотнения осуществляется пластическим деформированием частиц порошка меди в межчастичное поровое пространство. Поэтому активация поверхности сращивания происходит при пластическом деформировании медного компонента материала.
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
Для расчета активированной поверхности сращивания, возникающей при пластическом деформировании металлической составляющей порошкового тела, рассмотрим энергетическое состояние иона металла, смещение которого вызвано действием поля упругих напряжений ядра дислокации. Распределение энергии упругого поля, приходящейся на одну атомную плоскость, можно определить по следующему выражению [8]:
E = G ■ Ъ2 ■ a-ln((r - ro)/(r-i - г°))/4я, (1)
где Ei - энергия иона в i-м ряду от ядра дислокации; G - модуль сдвига; Ъ - модуль вектора Бюр-герса; а - параметр кристаллической ячейки; ri, ri-1 - расстояние от ядра дислокации до рассматриваемых рядов ионов; r0 - ширина ядра дислокации.
Значения вектора Бюргерса можно определить, исходя из преимущественных систем скольжения [9]. Для ГЦК - металлов преимущественным направлением скольжения является <110> в плоскостях {111}, что позволяет выразить модуль вектора Бюргерса через параметр кристаллической ячейки:
Ъ = 2°'5a.
В уравнении (1), позволяющем определить ri и, следовательно, площадь активного центра, неизвестной величиной является Ei, представляющая собой потенциальный энергетический барьер сращивания, равный энергии разрыва связи Cu-О. Для определения этой величины воспользуемся значениями энергии кристаллической решетки оксида металла и количеством связей Cu-О, приходящихся на одну элементарную кристаллическую ячейку. Данный расчет выполним для меди, как связующей рассматриваемой композиции.
Энергию кристаллической решетки тено-рита (CuO) определим по следующему выражению:
Ет = А Н - Т A S, (2)
где А Н - энтальпия образования тенорита; Т - абсолютная температура сращивания; A S - энтропия образования тенорита.
Для вычисления A S воспользуемся следующим выражением:
А S = 2S°CuO - <$°02 - 2S°Cu, (3)
где Cu0 - абсолютная энтропия тенорита; S°02 - абсолютная энтропия молекулярного
TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 4
кислорода (205,24 Дж/моль); S°Cu - абсолютная энтропия кристаллической меди.
Значения термодинамических величин, входящих в (2) и (3), приведены в работе [10].
Согласно международному структурному справочнику, тенорит имеет структуру типа В1 [11], характеризуемую гранецентрированной F- ячейкой Бравэ, плоскости симметрии m проходят в координатных и диагональных направлениях. Данная кристаллическая структура относится к пространственной группе Fm3m. Каждый ион кислорода окружен шестью ионами меди и наоборот. Стехиометрическая формула АВ указывает, что на одну элементарную кристаллическую решетку тенорита приходится четыре иона меди и четыре иона кислорода. Следовательно, энергию разрыва связи Cu-O (Ea) можно определить по формуле
Еа = ЕвП/(^Пот), (4)
где n - число ионов, приходящихся на одну элементарную кристаллическую ячейку тенорита, n = 8; Na - число Авогадро; n0 - число ионов кислорода, приходящихся на одну элементарную кристаллическую ячейку тенорита, n0 = 4; т - координационное число, т = 6.
Приравнивая значение Еа, вычисленное по формуле (4), к энергии иона кристаллической решетки, можно определить величину r¡, представляющую собой радиус активного центра на контактной поверхности сращивания.
По вышеприведенной методике расчета активной поверхности сращивания, возникающей при пластической деформации металлической составляющей порошкового тела, определено значение энергии разрыва связи Cu-О (Еа):
Еа Cu = 21,6-10-20 Дж.
Размер активного центра вычисляли при условии, что пограничные ионы обладают энергией, превышающей Еа. Результаты расчетов представлены в табл.1.
Таблица 1/Table 1 Радиус активного центра медной составляющей и энергия иона в ядре дислокации / Radius of the active
center of the copper component and ion energy in the dislocation core
Радиус активного центра, нм Энергия иона в ядре дислокации, 1020, Дж
2,52 23
2,88 13,8
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
Данная методика применялась в работе [12] для расчета активированной поверхности сращивания, возникающей при пластическом деформировании железной составляющей порошковой стали.
В результате расчета определен радиус активного центра га = 2,52 нм, что соответствует семи параметрам кристаллической решетки.
Определим условие, соответствующее полной активации контактной поверхности, т.е. относительное активированное контактное сече-
о отн 1 ^ о отн
ние 5а = 1. С другой стороны, 5а зависит от площадей единичных активных центров 50 с учетом их встречных потоков и их числа Ы:
5аотн =
Учитывая, что характер распределения поля упругой энергии вокруг ядра дислокации имеет круговую симметрию, можно записать 5аотн = 2% г^Ы = 1. Тогда для медной составляющей N = 6,3 • 1012 см-2. Следует отметить, что полученное значение количества единичных активных центров численно совпадает с максимальной плотностью дислокаций в деформированном металле, что свидетельствует о превалирующей роли пластической деформации в межчастичном сращивании при формировании порошковых материалов при деформационном уплотнении.
Определение площади активированной поверхности позволяет оценить необходимую степень пластической деформации для активирования контактной поверхности формируемого порошкового материала.
Рассматриваемая композиция характеризуется значительным различием гранулометрического состава порошков. Размер частицы порошка меди составляет 63 мкм, в то время как размер частицы карбида вольфрама - 9,5 мкм. При таком различии размеров зерен практически невозможно обеспечить контактирование каждой частицы WC с медной связующей при содержании последней в интервале 10 - 20 %. Следовательно, следует стремиться к уменьшению различий гранулометрического состава путем использования ультрадисперсных и нанопорошков меди или рассеиванием промышленных медных порошков до фракции 20 мкм.
TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 4 Выводы
1. Активация контактной поверхности заключается в повышении энергии ионов меди, достаточной для преодоления энергетического барьера сращивания, равного энергии разрыва связи Cu-O.
2. Радиус активного центра составляет 2,52 нм.
3. При активации контактной поверхности превалирующую роль играет пластическая деформация.
Эффективность активации межчастичной поверхности сращивания композиции WC-Cu увеличивается с уменьшением различия гранулометрического состава частиц порошков компонентов.
Литература
1. Дорофеев В.Ю., Егоров С.Н. Межчастичное сращивание
при формировании порошковых горячедеформирован-ных материалов. М.: ЗАО Металлургиздат, 2003. 152 с.
2. Анциферов В.Н., Перельман В.Е. Механика процессов прессования порошковых и композиционных материалов. М.: Металлургия, 2001. 628 с.
3. Кочергин К.А. Контактная сварка. Л.: Машиностроение,
1987. 240 с.
4. Андрущик Л.О., Корнюшин Ю.В., Ошкадеров С.П. Формирование межчастичных соединений при электроконтактном спекании металлических порошков // Метафизика. 1991. Т. 13. № 10. С. 110 - 121.
5. Формирование межчастичных контактов при спекании сферических порошковых частиц электрическим током / Г.Л. Буренков, В.Т. Бондарь, Н.А. Крылова и др. // Порошковая металлургия. 1987. № 6. С. 35 - 41.
6. Белявин К.Е., Мазюк В.В., Минько Д.В., Шелег В.К. Теория и практика электроимпульсного спекания пористых порошковых материалов. Минск: Ремико, 1997. 180 с.
7. Егоров С.Н., Литвинова Т.А. Закономерности формиро-
вания порошковой стали при электроконтактном уплотнении // Металлург. 2013. № 4. С. 94 - 97.
8. Штремель М.А. Прочность сплавов. М.: МИСИС, 1999. 384 с.
9. Винтайкин Б.Е. Физика твердого тела. М.: МГТУ, 2008.
360 с.
10. СмитлзК.Дж. Металлы. М.: Металлургия, 1980. 447 с.
11. Тофленец Р.Л., Анисович А.Г. Кристаллография. Минск: Беларуска навука, 2019. 78 с.
12. Егоров М.С. Межчастичное сращивание при формировании горячедеформированных порошковых сталей, полученных из легированных порошков: дис. ... канд. техн. наук. Новочеркасск. 2004. 1 48 с.
References
1. Dorofeev V. Ju, Egorov S.N. Interparticle splicing in the formation of hot-formed powder materials. M.: CJSC Metallurgizdat, 2003. 152 p.
2. Antsiferov V.N., Perelman V.E. Mechanics ofpressing processes ofpowder and composite materials. M.: Metallurgy, 2001. 628 p.
3. Kochergin K.A. Contact welding. L.: Mechanical engineering, 1987. 240 p.
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE 2020. No 4
4. Andruschik L.O., Kornyushin Yu.V., Oshkaderov S.P. Formation of interparticle compounds during electrocontact sintering of metal powders // Metaphysics. 1991. Vol. 13. No. 10. Pp. 110 - 121.
5. The formation of interparticle contacts in sintering spherical powder particles by electric current /G.L. Burenkov, V.T. Bondar, N.A. Krylova and others // Powder metallurgy. 1987. No. 6. Pp. 35 - 41.
6. Belyavin K.E., Mazyuk V.V., Minko D.V., Sheleg V.K. Theory and practice of electric pulse sintering ofporous powder materials. Minsk: Remiko, 1997. 180 p.
7. Egorov S.N., Litvinova T.A. Regularities of powder steel formation during electric contact compaction // Metallurgist. 2013. No. 4. Pp. 94 - 97.
8. Shtremel M.A. The strength of the alloys. M.: MISAA, 1999. 384 p.
9. Vintaikin B.E. Solid state physics. Moscow: MSTU, 2008, 360 p.
10. Smithles K.J. Metals. M.: Metallurgy, 1980. 447 p.
11. Toflenets R.L., Anisovich A.G. Crystallography. Minsk: Belaruska Navuka, 2019. 78 p.
12. Egorov M.S. Interparticle splicing in the formation of hot-formed powder steels obtained from alloyed powders: Dissertation of the candidate of technical sciences: Novocherkass. 2004. 148 p.
Поступила в редакцию /Received 31 августа 2020 г. /August 31, 2020
