CC BY
58
ГРНТИ 55.23.09
Оралбай Тансулу Цанатцызы
м.т.н., Машиностроительный факультет,
Карагандинский государственный технический университет,
г. Караганда, 100030, Республика Казахстан,
e-mail: tansulu-96@mail.ru.
Жумашева Айдана СYлейменцызы
м.т.н., Машиностроительный факультет, Карагандинский государственный технический университет, г. Караганда, 100030, Республика Казахстан, e-mail: aiko_07.96kz@mail.ru. Наменгенова Тогжан Бериковна
м.т.н., Машиностроительный факультет, Карагандинский государственный технический университет, г. Караганда, 100030, Республика Казахстан, e-mail: mila.beylis@mail.ru.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Металлические порошки являются основным сырьем в порошковой металлургии и не встречаются в природе в чистом виде, а представляют собой продукт переработки, на свойства которого сильное влияние оказывает способ его изготовления. Следовательно, изготовление порошков металла составляет важнейшее место в порошковой металлургии. Изготовление порошковых металлических изделий, их смесей и композиций с неметаллами. Порошки получаются путем механического измельчения или распылением исходных металлов в жидком состоянии, температурной диссоциацией соединений и высокотемпературным восстановлением, электролизом и другими способами. Заготовки изготавливаются прессованием с последующим спеканием. Порошковая металлургия позволяет готовить детали из материалов, которые получить другим способом нельзя или не рентабельно с экономической точки.
Ключевые слова: технологический процесс, нанопорошки, наночастицы, магнитных свойств порошков.
ВВЕДЕНИЕ
На технологический процесс изготовления порошковых изделий зависят физические и технологические свойства порошков. Гранулометрический состав частиц, их формы размеры, а также плотность - все это является существенными физическими свойствами порошков. Форма частиц может быть различной от сфер правильной формы до неправильных многогранников и др. Размер частиц так же может широко варьироваться от 0,1 до 500 мкм. Порошки делятся на пять категорий зернистости [1, 2]:
1) 40-150 мкм - средние частицы;
2) 150-500 мкм - грубые частицы;
3) 10-40 мкм - тонкие частицы;
4) 0,5-10 мкм - достаточно тонкие частицы;
5) менее 0,5 мкм - ультратонкие частицы.
Чтобы получить равномерные свойства готового изделия, обычно не применяют порошки одной конкретной фракции, а производят их смешивание в необходимых пропорциях. Более плотные заготовки получаются в результате заполнения мелкими дисперсными частицами в пространствах между крупными
Возможность практического применения порошков во многом зависит от их строения и проявляемых физико-химических свойств, а потому важны их исследования. Практикуется довольно большой набор методов, используемых для изучения порошков [3-6].
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
В первую очередь это микроскопические исследования, дающие представления о размерах, форме частиц, образовании агломератов из частиц. Эта группа методов включает различные варианты оптической и электронной микроскопии, а также зондовую (туннельную, атомно-силовую) микроскопию. Современные методы (просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения и атомносиловая микроскопии) в сочетании с компьютерной обработкой изображений позволяют получить разрешение практически на атомарном уровне. Для получения количественной информации о морфологии частиц порошка используется метод исследования функции размерного распределения, основанный на рассеянии лазерного излучения частицами. Для исследования гранулометрического состава ультрадисперсных и наноразмерных порошков практикуется методика седиментационного анализа. Методы получения нанопорошков, которые являются наиболее востребованными.
1 Одним из самых простых на первый взгляд является метод механического помола или диспергирования в твердой фазе, который осуществляется обычно с помощью шаровых или планетарных мельниц.
Наноразмерные компоненты можно получить на лабораторной бисерной мельнице MikroCer, производства фирмы «NETZSCH», Германия, процесс измельчения (до 40-50 нм) и диспергирования в которой приводит к эффекту механоактивации, то есть изменению энергетического состояния вещества в процессе измельчения. Применение механической активации в процессе совмещения компонентов позволяет регулировать структуру и свойства композитного материала, устраняя агломерацию и равномерно распределяя частицы наполнителя в связующем. Влияние нанонаполнителей на триботехнические свойства полимерных композитов проявляется через изменение комплекса поверхностных и объёмных свойств материала. Повышение когезионной прочности полимерного связующего является одной из причин улучшениятриботехнических свойств нанокомпозитов, повышения их износостойкости. Наночастицы оказывают сильное влияние на механизм формирования плёнки фрикционного переноса на контртело, что также способствует повышению износных характеристик [7, 8].
2 Получение нанопорошков с помощью взрывов. Электрический взрыв проводников с последующей конденсацией продуктов взрыва в специально
созданной газовой среде (полученные в результате взрыва частицы разлетаются и, взаимодействуя с окружающей средой, быстро охлаждаясь, образуют УД порошок заданного состава).
Этим методом можно получать УДП А12О3, где будут преобладать частицы размером меньше 3 нм.
3 Метод осаждения металлов из паровой фазы. Для испарения металлов используют ионно-плазменные, электронно-лучевые, лазерные потоки энергии. Осажденный на подложке материал собирается под высоким давлением. Степень дисперсности порошков зависит от многих параметров и, прежде всего, от температуры подложки. Снижение температуры подложки до азотных препятствует агломерации порошков (рисунок 1).
Металлы (один или несколько) испаряются в вакууме и концентрируются на подложку, охлаждаемую жидким азотом. Конденсат с подложки периодически удаляется специальным устройством и перемещается в блоки для компактизации. Конденсат спрессовывают при низком и высоком давлении и превращают в консолидированный в вакууме нанокомпозит.
Рисунок 1 - Схема установки с криоконденсацией для получения нанокомпозитов
4 Химические методы: осаждение из жидкой и газообразной фаз, термическая
и и
диссоциация неустойчивых соединений, восстановление окислов. В последнее время с целью повышения дисперсности порошков и предотвращения их агломерации химические методы применяются с одновременным использованием высокоэнергетических физических воздействий (СВЧ-нагрев, обработка импульсным магнитным полем (ИМП), воздействие ультразвуком).
5 Плазмохимический синтез и синтез в дуговом разряде. В нагретый до очень высокой То газ помещают нужный материал, с ним происходят химические и физические превращения, конденсация. При резком перепаде То до 105-107 гр/сек материал быстро охлаждается и кристаллизуется в виде наночастиц. Этот метод отличается высокой производительностью. Суть метода заключается в том, что если в этот, нагретый до очень высокой температуры, газ поместить нужный материал, вплоть до самых тугоплавких (вольфрам, тантал и т.д.), то с ним начинают происходить разные, сначала химические, а затем физические превращения, в частности конденсация. Все это происходит за чрезвычайно короткое время - сотые и даже тысячные доли секунды. При этом возникает резкий перепад температур, до 105-107 градусов в секунду. В результате материал очень быстро охлаждается и кристаллизуется. Причём можно создать такие условия, что эта кристаллизация будет происходить в виде наночастиц. Таким способом можно получить широчайший спектр материалов с размером частиц от 10 до 100 нм.
6 Интенсивная пластическая деформация (ИПД): кручение под гидростатическим давлением, равноканальное угловое прессование, знакопеременный изгиб. Достигается высокая степень деформации и измельчения зерна (ширина границ от 2 до 10 нм). Метод ИПД позволяет формировать в монолитных металлах и сплавах наноструктурные состояния. Основной недостаток - нестабильность их структуры при нагреве.
Метод рентгеновской дифрактометрии порошков даёт количественную и качественную информацию о кристаллографическом строении частиц, наличии неупорядоченных фаз и их соотношении. Кроме того, имеется возможность использования метода для определения средних размеров кристаллитов (областей когерентного рассеяния) нанокристаллических материалов по уширению рентгеновских дифракционных пиков.
Важным параметром является размер удельной поверхности и пористости частиц, которая определяется сорбционными методами, в частности ВЕТ-анализом. По удельной поверхности можно оценочно определить среднее значение распределения частиц. Причем именно оценочное, так как удельная поверхность зависит от множества факторов, таких как морфология частиц, наличие пор и их объем.
Методы колебательной спектроскопии (инфракрасной и римановской) используются для определения строения порошков. Наиболее эффективны эти методы для изучения полимерных порошков, что будет продемонстрировано в четвертой главе. В ИК-спектроскопии используются как просвечивающее, так и отраженное излучение. Полезную информацию дает метод рентгеновской
фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), могущий идентифицировать валентное состояние атомов химических элементов и характер их вхождения в молекулярные структуры. Методы анализа тонкой структуры рентгеновского спектра, реализуемые при использовании синхротронного излучения, дают возможность получить информацию о характере ближайшего окружения атомов элементов. Особо важен метод при изучении аморфных систем, когда дифракционные методы не работают [9].
Полезны для изучения порошков методы радиоспектроскопии (электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), ферромагнитного, ядерного магнитного резонансов (ЯМР)), которые дают информацию о молекулярном и атомарном строении порошков, динамике кристаллических решеток и их фрагментов. Метод ЭПР особо важен для магнитных порошков, а ЯМР эффективен применительно к полимерным материалам.
Для полимерных материалов полезен метод позитронной аннигиляции, дающий возможность исследовать внутренние поры в частицах порошка. Другой, информационно более эффективный ядерно- физический метод-ядерный гамма-резонанс (эффект Мессбауэра), он позволяет получить информацию о строении частиц порошка на атомном уровне, однако его ограничением является малое число удобных для резонанса ядер (57Fe, ll9Sn). Применительно к исследованиям строения порошков с низкой упорядоченностью (аморфных, полимерных) полезен метод малоуглового нейтронного рассеяния [10].
Методы измерения, магнитных свойств порошков очень важны при их изучении, их данные во многом определяют возможности и способ применения дисперсных и наноразмерных материалов.
Конкретное применение исследовательских методов будет продемонстрировано, кроме того, их детальное описание можно найти в специальной литературе. Однако можно утверждать, что ни один из множества отмеченных методов не может дать информации во всей требуемой полноте, а потому необходимо сочетание максимального числа исследовательских приемов и методов. В работе исследовали сталь 03Х17Н12В, полученную методомпорошковой металлургией. Для получения данной стали порошки отдельных компонентов (элементов) смешивали
U U "XT' U U
между собой в планетарной мельнице. Химический состав исследуемой стали представлен в таблице 1.
Таблица 1 - Химический состав стали 03Х17Н12В
С, % Cr, % Ni, % W, % Fe, %
0,03 17 12 1,5 Остальное, около 69 %
В качестве исходного материала для приготовления стали, использовали порошки следующих марок: порошок карбонильного железа марки ВМ, карбонильный никелевый порошок марки ПНК УТ-1, порошок хрома марки ПХ1С.
Легирование карбонильного железа различными элементами проводят для повышения свойств. Например, добавление хрома приводит к повышению
коррозионной стойкости: при содержании хрома от 10 % сталь считается нержавеющей в обычных агрессивных средах, а от 17 % и выше сталь уже стойкая в сильноагрессивных средах, например, в азотной кислоте. Коррозионная стойкость стали, содержащей хром, объясняется наличием на поверхности тонкой плёнки нерастворимых окислов.
Но это слой (тонкая оксидная плёнка) может легко разрушится вследствие локализованной коррозии (контактная или точечная коррозия).
Никель не влияет на образование коррозии, но никель снижает скорость распространения подобного вида коррозии, что оказывает влияние на масштаб коррозии и скорость её распространения.
ВЫВОДЫ
Ni добавляют в нержавеющую сталь также для стабилизации аустенита при комнатной температуре. Уже 8 % Ni уже способствует стабилизации аустенита. Остальное, около 69 % 18 кубическую решётку, она сочетает в себе высокую прочность и достаточно высокую пластичность. Вольфрам является металлом
С/ С/ U Т Т U U
с самой высокой температурой плавления. Наряду с устойчивостью к высокой температуре, вольфрам в стали улучшает износостойкость и твёрдость. Вольфрам, добавленный в небольших количествах, вступает в реакции с содержащимися в ней вредными примесями серы и фосфора, и нейтрализует их отрицательное влияние. В результате такая сталь имеет высокую твёрдость, тугоплавкость, упругость и устойчивость против кислот. Прессование проводили на гидравлическом прессе методом холодного одностороннего прессования при давлении. Спекали образцы в электрической вакуумной печи при 1380 °С в течение 2 часов.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Бердинский, В. Л., Каныгина, О. Н., Четверикова, А. Г. Физические методы исследования веществ ОГУ. - 2014. - 141 с.
2 Ким, Де. Ч., Янюшкин, А. С. Технология получения и обработка наноструктурных материалов // Старый Оскол, 2019. (2-е издание, стереотипное)
3 Буйло, С. И., Кузнецов, Д. М. Акустико-эмиссионный контроль и диагностика кинетики физико-химических процессов в жидких средах. -Дефектоскопия. - 2010. - № 9. - С. 74-80.
4 Алымов, М. И. Порошковая металлургия нано-кристаллических материалов // Российская акад. наук, Ин-т металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова. - М., 2007. - 167 с.
5 Жолдубаева, Ж. Д., Исин, Д. К., Тилеу, Ж. А., Табылдина, Ш. М., Даулет, А. К. Low-waste refining technology for metals and alloys // Наука и техника Казахстана. - 2018. - № 4. - С. 94-101.
6 Витязь, П. А., Ильюшенко, А. Ф., Хейфец, М. Л., Чижик, C. А. Технологии конструкционных наноструктурных материалов и покрытий. // Монография. -Минск, 2011. - 283 с.
7 Морохов, И. Д. Структура и свойства малых металлических частиц / И. Д. Морохов, В. И. Петинов, В. Ф. Петрунин, Л. И. Трусов // УФН. - 1981. -Т. 133. - № 4. - С. 653-692.
8 Современные методы и технологии создания и обработки материалов. Сборник научных трудов. В 3-х книгах // Главный редактор Белый А. В. - Минск, 2018. - Том Книга 1 Материаловедение. - 295 с.
9 Морохов, И. Д. Физические явления в ультрадисперсных средах / И. Д. Морохов, Л. И. Трусов, В. Н. Лаповок. - М. : Энергоатоиздат, 1984. - 224 с.
10 Рыжонков, Д. И. Наноматериалы / Д. И. Рыжонков, В. В. Лёвина, Э. Л. Дзидзигури. - Бином, 2012. - 365 с.
Материал поступил в редакцию 08.06.20.
Оралбай Тансулу К^анатцызы.
т^.м., Машина жасау факультет^
КараFанды мемлекетлк техникальщ университет^
КараFанды к., 100030, Казахстан Республикасы,
e-mail: tansulu-96@mail.ru
Жумашева Айдана Сулейменцызы
т^.м., Машина жасау факультет^
КараFанды мемлекетлк техникалык университет^
КараFанды к., 100030, Казакстан Республикасы,
e-mail: aiko_07.96kz@mail.ru
Наменгенова Тогжан Бериковна
т^.м., Машина жасау факультет^
КараFанды мемлекетлк техникалык университет^
КараFанды к., 100030, Казакстан Республикасы,
e-mail: mila.beylis@mail.ru
Материал 08.06.20 баспаFа тусть
¥нтакты материалдардыц к^рылысы мен касиеттерш зерттеу эд1стер1
Металл унтацтары унтацты металлургиядагы негiзгi шиюзат болып табылады жэне табигатта таза турде кездеспейдi, ал цасиеттерте оны жасау тэсш кyштi эсер ететт цайта вцдеу внiмi болып табылады. Демек, Унтац металлургиясындагы металл унтацтарын дайындау мацызды орын алады. Унтацты металл буйымдарын, олардыц цоспалары мен металл емес композицияларын жасауга болады. Унтацтар механикалыц усацтау немесе суйыц кушнде бастапцы металдарды тозацдату, цосылыстардыц температуралыц диссоциациясы жэне жогары температуралы цалпына келтiру, электролиз жэне басца да тэслдермен алынады. Дайындамалар ныгыздау арцылы дайындалады. Унтацты металлургия басца тэсшмен алуга болмайтын немесе экономикалыц нуктеден рентабельдi емес материалдардан жасалган бвлшектердi дайындауга мумкшдж бередi.
Кiлттi свздер: технологиялыц процесс, нанопорошкалар,нанобвлшектер, унтацтардыц магниттк цасиеттерi.
Oralbai Tansulu Kanatkyzy
Master of Technical Sciences, Engineering Faculty,
Karaganda State Technical University,
Karaganda, 100030, Republic of Kazakhstan,
e-mail: tansulu-96@mail.ru
Zhumasheva Aidana Suleimenkyzy
Master of technical Sciences, «Engineering faculty»,
Karaganda State Technical University,
Karaganda, 100030, Republic of Kazakhstan,
e-mail: aiko_07.96kz@mail.ru
Namangana Togzhan Berikovna
Master of Technical Sciences, «Engineering Faculty»,
Karaganda State Technical University,
Karaganda, 100030, Republic of Kazakhstan,
e-mail: mila.beylis@mail.ru
Material received on 08.06.20.
Methods for studying the structure and properties of powder materials
Metal powders are the main raw material in powder metallurgy and are not found in nature in pure form, but are a product ofprocessing, the properties of which are strongly influenced by the method of its manufacture. Therefore, the production of metal powders is an important place in powder metallurgy. Production of powdered metal products, their mixtures and compositions with non-metals. Powders are obtained by mechanical grinding or sputtering of raw metals in the liquid state, temperature dissociation of compounds and high-temperature reduction, electrolysis, and other methods. Blanks are made by pressing followed by sintering. Powder metallurgy allows you to prepare parts from materials that can not be obtained in another way or is not cost-effective from an economic point of view.
Keywords: technological process, nanopowders, nanoparticles, magnetic properties of powders.
