CC BY
50
УДК 621.791.793 Е. Н. ЕРЁМИН
Г. Н. МИННЕХАНОВ Ю. О. ФИЛИППОВ Р. Г. МИННЕХАНОВ М. В. ТРЕНИХИН
Омский государственный технический университет
Институт проблем переработки углеводородов СО РАН, г. Омск
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПОРОШКА КАРБОНИТРИДА ТИТАНА, ПОЛУЧЕННОГО ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИМ СИНТЕЗОМ
Исследованы дисперсность, удельная поверхность, состав и газонасыщенность ультрадисперсного порошка карбонитрида титана, полученного плазмохимическим синтезом. Установлено, что порошки промышленного производства обладают высокой разнозер-нистостью частиц, малым объемом частиц наноразмерного уровня и повышенным содержанием газов. Предложено перед их использованием для модифицирования расплавов проводить предварительное активирование частиц.
Ключевые слова: ультрадисперсный порошок карбонитрида титана, модифицирование, расплав, свойства, плазмохимический синтез.
Модифицирование расплавон небольшими иноку-лирующими добавками малорастворимых частиц тутоплавких соединений, инициирующих кристаллизацию, позволяет воздействовать на морфологию и топографию упрочняющих фаз, определяющих уровень механических и служебных свойств литейных сплавов 11,2]. Наиболее перспективными инокулято-рами являются экзогенные частицы, вводимые в расплав и виде порошка, поскольку процесс их изготовления позволяет широко варьировать размер часгиц и их химический состав (3). В то же время свойства таких порошков, полученных плазмохимическим синтезом (ПХС), изучены недостаточно.
В данной работе исследованы дисперсность, удельная поверхность, состав и газонасыщенность ультрадисперсного порошка (УДП) карбонитрида гитана {ТЮГ^). полученного плазмохимическим синтезом1.
Для измерения удельной поверхности частиц использовали методику [4] одноточечной адсорбции стандартного газа па определенном равновесном давлении. Измерения проводили на приборе «Сорбто-метр» путем измерения объема газа - адсорбапта (азота), сорбируемого исследуемым образцом при температуре жидкого азота (77 К).
Результаты проведенного исследования показали, что удельная поверхность частиц порошка карбо-нитрида титана составляет 17 ±2 м2/г.
Для определения дисперсности частиц применили лазерный анализатор 5ЛЬП)-2101, использующий ме-тоддифракции (рассеяния) лазерного излучения на час тицах дисперсной фазы. Измерения проводили в этиловом спирте.
Результаты исследования показывают, что значения дисперсности часгиц порошка ТЧС.М промыш-
ленного производства находятся в широком диапазоне в пределах от 0,03 до 3,5 мкм (рис. 1). Объемная доля частиц наноразмерного уровня незначительна.
Размер 50 % частиц по гистограмме (Median) находится в пределах0,407 - 0,427 мкм. Среднее значение размера частиц (Mean V) составляет от 0,402 до 0,419 мкм (рис. 2).
Изучение внешнего вида порошка TiCN проводилось на оптическом микроскопе Carl Zeiss АХЮ Imager Aim. Обработка изображений осуществлялась при помощи программною пакета AxioVision rev. 4.7.1.
Фотография частицпорошка представлена на рис. 3. На снимке можно видеть как конгломераты частиц, так и сами частицы. Их размеры находятся в пределах 2 — 40 мкм. Оценить размер отдельно расположенных частиц порошка приданном увеличении (предельном для используемого микроскопа) оказалось затруднительно.
С целью определения морфологических и кристаллографических характеристик порошка TiCN проведено исследование методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ).
В процессе подготовки образца порошок TiCN растирали в агатовой ступке в течении 3-5 минут с последующим распылением на тонкую полимерную плёнку (10 —20 им), размещённую на медной сеточке — подложке для образцов ПЭМ.
Для проведения электронно-микроскопических исследований был использован ПЭМ JEM 2100.
Из анализа результатов ПЭМ следует, что основную массу образца порошка TiCN составляют частицы различной геометрической формы размерами свыше 100 нм. На рис. 4 представлено одно из типичных электронно-микроскопических изображений частиц порошка TiCN. На снимке видно, что паблюда-
МАШИНОСПЮЕИИГ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ МСТНИК № 1 <в7) 2010
БШИДОгГО 8Л1Л)-2101 (SAI.D-2101-WE.A1: VI .20)
<Г:1е Маше) 1ЧСЫ(бв» дисп)-й
<Нашр1л хб)
lSc.r41.le «I
Риг. I. Гистограмма и
з <*> юс
эо
80
70
60
50
40
30
20
10
О
о
ах 05 1 5 10 50 100
РагЬ<с1о Швтеиег <цт>
интегральная кривая распределения частиц порошка Т1СМ по размерам
БШМАЬги ЭАЮ-гЮ! (5АЬО-2101-ИЕА1:У1.20)
1.-0- Т»СМ(без дисп}-5
2.-Ф-ТЮНОез дисп;-6
Э ьеуе1: С О ?иг.с:Копе О БМК: О
Уагг1с1с Шатесес <цт)
Рис. 2. Дифференциальная кривая для серии иг двух измерений распределения частиц порошка Т1СТ* по размерам
Рис. 3. Внешний вид порошка Т1С^ промышленного производства
Рис. 4. Гранулярный состав порошка карбонитрида титана, полученного плазмохимическнм способом
68 ТО 72 74 74 7в
Ал0в2ТТм(а(О«дгм}
Риг. 5. Ренттсно'флуорссцснтный спектр порошка Т1СМ
емые кристаллические частицы содержа т некоторые элементы кубической симметрии (огранку с углами, близкими к 90") и реже гексагональной симметрии (огранку с углами, близкими к 120л). В небольшомко-личестве в образце наблюдались частицы размером более 1000 им. Наряду с геометрически прапилышми включениями кубической формы, характерными для нитридов и карбонитридовтитана, в порошке присутствуют частицы округлых форм, которые можно отнести к остаткам неиспаренного исходного сырья или конгломератам сверхмелких частиц, не разрушенных при расиылеиии УДП. Фаза аморфная по морфологическим признакам в образце не обнаружена.
Определение качественного элементного состава порошка Т1СЫ проведено методом рентгеноспект-рального флуоресцентного анализа (РСФА) па волно-дисперсиоином спектрометре ОРПМ'Х АЯЬ. В качестве источника рентг еновского излучения использована прубка с: родиевым анодом, рабочее напряжение от 25 до 50 кВ. Для получения спектра исиользованы следующие приборные параметры: гониометр Х1*Р 1; кристалл-монохроматор - 1лГ200; детектор - РРС; коллиматор — 0.29. Идентификация спектров проводилась в диапазоне элементов периодической системы Менделеева от алюминия (№ 13) до урана (№ 92) с использованием каталога рентгеновских линий и применением программного обеспечения ХЛ'ЧпХЯР «ТЬегто».
РСФЛ порошка показывает наличие в нём титана с примесями хрома и, возможно, ванадия. Чёткая (достоверная) идентификация ванадия в образце данным методом не установлена ввиду спектрального наложения пиков рентгеновской флуоресценции от титана и хрома. Максимумы относительной интенсивности рентгеновского излучения и соответствующие им углы 20 для обнаруженных в образце элементов представлены на рис. 5.
Для ультрадисперсных порошков поверхностная энергия их частиц но величине сравнима с объемной энергией решетки [5], что предопределяет их высокую реакционную способность [6|г диффузионную активность и адсорбционную способность (7]. В частности, скорость газовыделения при вакуумировании УДП в 30 раз превышает соответствующий показатель для грубодисперсного порошка |5,6].
Взаимодействие ультрадисперсных порошков с атмосферными газами многопараметрический про-
цесс, интенсивность которого зависит от физикохимической природы материалов, уровня их дисперсности, отсутствия или наличия на поверхности газообразных продуктов синтеза, их состава, температуры и других факторов |3,5|. Ультрадисперспые порошки при контакте с воздухом сорбируют преимущественно кислород и пары воды, количество которых зависит от удельной поверхности материалов. Поглощение других а тмосферных газов значительно меньше из-за блокирования центров адсорбции атомами кислорода и экранирования поверхности частиц полислоем из молекул поды. Поэтому в материалах, синтезированных в потоках низкотемпературной плазмы, при контакте с воздухом содержание кислорода може т достигать 5 — 18 мае. % при начальном уровне 0,5 —2,5 мае. %.
Десорбция растворенных газов при нагреве УДП в жидкой среде сопровождается процессом их моле-зации на межфазной границе, и частицы порошка за счет «понтонного» эффекта всплывают к поверхности расплава, окисляются и в дальнейшем не смачиваются. Поэтому одним из важных параметров порошков является их газонасыщенность.
С этой целью проведен термический анализ порошка "ПСЫ с использованием прибора Гч’ЕТТБСН 5ТА449С, оснащённою системой масс-спектрометрического (МС) анализа. На рис. б представлены интегральная ТС, дифференциальная РТС кривые термогравиметричсского анализа, а также кривая ЭТА дифференциального термического анализа.
Анализируя кривые ТС и ОТО можно видеть, что в процессе нагрева образца происходит прирост его массы. В температурном интервале от 30 до 1000 5С величина прироста составила 31 %.
Как следует из результатов ЭТС и МС анализов, в диапазоне от 250 до 450 ‘С наблюдается прирост массы образца Т1СЫ со сложным экзотермическим эффектом и выделением ЫН2, ЫН., (рис. 7, кривые МС № 4 и 3). В ходе дальнейшего нагрева от 440 до 600 “С также идёт прирост массы и отмечено первоначальное выделение тепла, а затем его поглощение. В этом диапазоне выделяются СО. С02, N (кривые МС № 2, б и 7 соответственно).
Полученные результаты говорят о том, что в состав десорбированных газоп входят продукты, применяемые при синтезе порошков, и газы из окружающей среды, приобретенные при хранении порошка.
то
/%
Мп>С11>17> ИМ Ч
ОТО /(%/т1п) ЭТА /(иУ/тд)
>1Ъ
2.5 2.0
1.5 1.0 0.5 0.0 -0.5
Рис. 6. Интегральная Тв. дифференциальная ОТС кривые и кривая ЭТА для порошка Т1СЫ
Ионный ток *10ив /А ОТО /(%/т!п)
Рис. 7. Результаты разложения порошка Т1СМ, кривые БТС и МС
Из-за повышенног о содержания газон в материале порошка, образующих в нем твердые адсорбционно-диффузионные растворы, сопровождающиеся при определенных концентрационных и температурных условиях диффузией кислорода в объем частиц с образованием оксидных фаз осложняется проблема пнедеиия частиц в расплав. Смачиваемость оксидных фаз жидкими металлами сравнительно низкая, поэтому одним из условий подготовки порошков перед введением в металлические расплавы является необходимость их глубокой дегазации с возможностью восстановления оксидов за счет изменения термодинамической активности компонентов в вакууме.
Поэтому одним из непременных условий получения эффекта модифицирования при вводе частиц в расплавы является процесс их плакирования защитной оболочкой из вещества основы модификатора -протектора в процессе его растворения в расплаве. В качестве плакирующего вещества необходимо применять элементы, входящие в состав стали или сплава, имеющие наибольшее химическое сродство к химическим элементам частицы и образующие с ними химические соединения, плакирующие частицы. Образованные химические соединения должны им(ггьтемпературу плавления выше, чем у обрабатываемого сплава. В качестве плакирующего вещества можно выбратыюрошкититана, никеля, хрома, бора, ванадия или кремния.
Предлагаемая рядом авторов гермовакуумпая обработка (ТВО) порошков не решает проблемы полностью, поскольку при ТВО не происходит заметного
снижения содержания кислорода [8|. Он остается в частицах УДП в количестве 4 — 26 %. Кислород в частицах УДП растворен неравномерно и находится преимущественно в виде химических соединений (окси-карбидов, окешштридов, оксикарбопитридов) в поверхностных слоях частиц, образуя пленки, толщиной 1,0 — 2,0 нм, состав которых близок к монооксидам и низким оксидам металлов. Присутствие пленок оксидов на поверхности частиц УДП ухудшает их смачиваемость металлами, но в тоже время сохраняет структурную устойчивость часгицдо высоких температур. Кроме того, УДП после вакуумной дегазации при 500 — 600 °С и последующем хранении на воздухе вновь выделяет такое же количество газов, что свидетельствует о необходимости консервации частиц после термовакуумпой обработки (ТВО).
Таким образом, перед введением модифика торов в металлический расплав предварительно необходимо провести подготовку частиц, т.е. их диспергирование, дегазацию и плакирование поверхности металлическими пленками и консервацию. Это можно осуществить высокотемпературной обработкой модифицирующего комплекса. В то же время для успешного осуществления этого процесса необходимо знать оп тимальные параметры режима его проведения, которые до настоящего времени изучены недостаточно.
Примечание
1 Физико химические исследования выполнены на приборах ОмЦКП СО РАН.
Библиографический список
8. Свойства и применение дисперсных порошков / под ред
В.В. Скороходовл. — Кирн : Наукова думка, 1980. — 180 с.
1. Хрычикои. В.Е. Ультрадисперсные модификаторы для повышения качества отливок / В.Е. Хрьптиков, В Т. Калинин, В А Кри-вошеев // Литейное производство. - 2007. - N«7. - С. 2-5.
2. Еремин. E.I I Применение модифицирования для повышения свойств кольцевых заготовок из азотосодержащих нержавеющих сталей, полученных способом ЦЭШЛ / Е.Н. Еремин // Современная электрометаллургия. - 2006. — №3. — С. 3—7.
3. Низкотемпературная плазма 12. Плазмохимический синтез ультрадисперсных порошков и их применение для модифици • рования металлов и сплавов / B.I I. Сабуров (и др.|. - Новосибирск : Сибирская издательская фирма РАН, 1995. — 344 с.
4. Грег, С.. Синг К. Адсорбция. Удельная поверхность. Пористость/С. Грег, К.Синг. - М.: Мир, 1984. — 310 с.
5. Миллер,Т.11. Плазмохимический синтез и свойства порош-ков тугоплавких соединений /Т.Н. Миллер// Известия А! 1 СССР. Неорганические материалы - 1979. - Т.15. — No4. — С. 557 — 502.
6. Гиосин. Г.Г. Спекание материалов на основе карбида и нитрида кремния/Г.Г.Гноснн//Порошковая металлургия. - 1984. -№9. - С. 19-26.
7. Троицкий, В.Н., РахматуллинА.3. БересгенкоВ.Н. Темпе-
ратура начала спекания УДП / В.Н.Троицкий, Л.З. Рахматуллнн, П.П. Берестенко//Порошковаяметаллургия. - 1983. N«1. -
С. 13-15.
ЕРЁМИИ Евгений Николаевич, доктор технических наук, директор машиностроительного института, заведующий кафедрой «Оборудование и технология сварочного производства» Омского государственного технического университета (ОиТСП ОмГТУ). Адрес для переписки: e-mail: weld_techn@mail.ru МИННЕХАНОВ Г изар Нигьматьянович, заместитель директора ООО «НПФ “ЛиКОМ"».
ФИЛИППОВ Юрий Олегович, инженер кафедры ОиТСП ОмГТУ.
МИННЕХАНОВ Руслан Гизарович, младший научный сотрудник кафедры ОиТСП ОмГТУ. ТРЕНИХИН Михаил Викторович, кандидат технических паук, научный сотрудник лаборатории аналитических и физико-химических методов исследования Института проблем переработки углеводородов СО РАН.
Статья поступила в редакцию 30.12.2009 г.
© Е. Н. Ерёмин, Г. 11. Мипнеханов, Ю. О. Филиппов,
Р. Г. Миннеханов, М. В. Треиихин
УДК 531.66 (075) Б. Н. СТИХАНОВСКИЙ
В. Р. ЭДИГАРОВ В. В. МАЛЫЙ
Омский государственный технический университет
Омский танковый инженерный институт
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИВОДА ВРАЩАТЕЛЬНО-УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ С РЕКУПЕРАТОРОМ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Рассмотрены результаты исследования привода вращагельно-ударного действия позволяющего накапливать кинетическую энергию на большом угловом пути разгона инерционных масс с регулируемой частотой и энергией удара, что можно использовать в двух направлениях: для создания устройств гражданского и оборонного значения при испытаниях изделий на ударные и центробежные нагрузки одновременно, а также применять в качестве формирователя ударного импульса в перфораторах, бурильных машинах, механизированных молотках, молотах и т.д. Изучен процесс накопления кинетической энергии деталями привода, разработан математический аппарат и программные средства расчета скорости бойка и его кинетической энергии. Произведена оптимизация конструктивных элементов привода.
Ключевые слова: привод вращательно-ударного действия, кинетическая энергия, рекуператор, ударный импульс, кривошипно-шатунный механизм, инструмент-волновод.
Введение. Повышение качества и надежности машин является необходимым условием технического прогресса. Учитывая номенклатуру выполняемых работ машинами ударного действия в современной строительной отрасли, возникает необходимость в повышении их производительности и качества прежде всего за счет увеличения энергии удара при соблю-
дении других регламентиропанных величин, а также снижения потребляемой энергии и повышения надежности.
Особый интерес представляют ротационные машины ударного и вращательно-ударного действия, способные на большом угловом пути накапливать кинетическую энергию и передавать ее бойку, что
