CC BY
24
ПОВЕРХНОСТНАЯ ОБРАБОТКА
УДК 629.693 DOI: 10.30977^^.2219-5548.2018.82.0.5
МОДИФИКАЦИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ НАСЫЩЕНИИ НАНОЧАСТИЦАМИ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА
Большаков В.И., Калинин А.В., Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры, Глушкова Д.Б., ХНАДУ
Аннотация. Определен химический состав нанодисперсных композиций: SiC, ТС, ТЫ, Т(СЫ), А1Ы, Mg2Si, Mg3Nъ Химический состав синтезированных соединений отвечает стехио-метрическому составу. Проведен анализ микродифракционных картин частиц, показана принадлежность нанопорошков к твердым кристаллическим телам с металлической связью. Установлено, что частицы карбонитрида титана Т (СЫ) имеют гранецентрированную, а частицы карбида кремния ^С) - гексагональную кристаллическую решетку. Были проведены эксперименты по поверхностному модифицированию сталей нанопорошковыми композициями на основе Т (СЫ) и SiC. Установлена эффективность применения нанодисперсных композиций при выплавке конструкционных сталей. В результате модифицирования стали 09Г2С нанопо-рошком Т (СЫ) повышены характеристики прочности, пластические свойства и ударная вязкость. Обоснован выбор нанодисперсных порошков карбонитрида титана Т (СЫ) фракции менее 100 нм в качестве модификаторов низколегированных сталей. Получены необходимые критерии выбора нанопорошковых модификаторов: нерастворимость в расплаве, соответствие кристаллических решеток матрице стали, соразмерность с критическим радиусом зародыша аустенита при кристаллизации. Установлен механизм взаимодействия расплава стали со слоем нанодисперсной композиции.
Ключевые слова: нанодисперсная композиция, модифицирование, плазмохимический синтез, конструкционная сталь, механические свойства, кристаллографические параметры.
Введение
Анализ работ последнего десятилетия в области материаловедения показывает, что внимание исследователей сосредоточено на изучении материалов, содержащих структурные элементы нанометровых размеров.
Наноструктурированные материалы представляют собой особое состояние конденсированных фаз веществ - макроскопические ансамбли частиц с размерами в несколько нанометров. Необычные свойства этих материалов обусловлены уникальностью свойств отдельных частиц и характером взаимодействия между ними.
Эффективным способом получения высококачественной продукции является модифицирование сталей нанодисперсными материалами при низком их расходе. Поэтому инженерные решения при выборе нанодис-персных композиций базируются на определении оптимального комплекса их параметров, состава, физико-механических свойств и технологии получения.
Учитывая уникальность свойств нанокри-сталлических материалов, объединяющих
высокие характеристики прочности и пластичности, следует считать актуальными исследования, направленные на развитие технологии модифицирующей обработки высококачественных конструкционных сталей нанодисперсными композициями заданного состава, кристаллической структуры и размерно-топологических параметров.
Анализ публикаций
Разработку новых материалов и технологий их получения общепризнанно относят к основам экономического развития. Одним из приоритетных направлений развития современного материаловедения являются нано-материалы и нанотехнологии. Конструкционные наноструктурные материалы занимают особое место в кругу материалов с особенностями структуры и свойств [3, 4, 6-8]. Использование крупных частиц модификаторов размером более 10 мкм в металлургии производства сталей достаточно изучено [1]. Использованию нанодисперсных частиц для управления структурой сталей посвящено мало работ. Так, в работе [9] при модифици-
ровании низколегированной стали тугоплавкими композициями установлено образование дисперсных структур - с однородным распределением упрочняющих фаз. Однако следует отметить, что в данной работе не проведен термодинамический анализ условий протекания модифицирующих процессов при кристаллизации расплавов. Это означает, что возникают трудности, с практической точки зрения, при выборе оптимального компонентного состава и размерного диапазона применяемых нанокомпозиций. Это обстоятельство связано с тем, что введение на-ночастиц, в расплав существенно изменяет поверхностные явления на границе «модификатор-расплав» и термодинамические параметры процесса.
Для решения этой проблемы в работе [5] проведена оценка эффективности действия наночастиц при обработке расплавов. Установлена зависимость степени растворимости модификатора в расплаве от термодинамической устойчивости процесса и разницы температур плавления наночастиц и расплава. Несмотря на практическую ценность приведенных данных, не рассмотрены в достаточной степени особенности кристаллографического строения нанокомпозиций.
Поэтому есть основания считать, что недостаточная изученность влияния термодинамических условий и кристаллографического строения нанокомпозиций обуславливает необходимость проведения исследований в данном направлении.
Цель и постановка задачи
Целью проведенных исследований является повышение механических и эксплуатационных свойств конструкционных сталей путем модифицирования расплавов нанодис-персными композициями с заданными кристаллографическими параметрами.
Для достижения поставленной цели поставлены следующие задачи: на промышленной установке плазмохимического синтеза получить нанодисперсные композиции карбидного, нитридного и карбонитридного класса с размером частиц до 100 нм; определить химический состав, физические свойства и кристаллографические параметры на-ночастиц; провести опытно-промышленные плавки низколегированных сталей классов прочности С345, С355,С375 с применением наномодификаторов; установить влияние заданных кристаллографических параметров наночастиц на морфологию структуры, ком-
плекс механических свойств и износостойкость конструкционных сталей.
Исследование нанопорошков и их влияния на свойства деталей
Исследования модифицирования проводили на конструкционных низколегированных сталях с применением нанодисперсных модификаторов: TiC, TiN, Ti(CN), SiC, AlN, Mg2Si с размером частиц 30.. .100 нм. Модификаторы получены в АО «Neomat» (Латвия) на высокочастотной промышленной установке плазмохимического синтеза AEROXIDE P-25.
Для генерации плазмы использовали вихревые индукционные плазмотроны с газовой стабилизацией разряда. Исходные материалы дозированно вводили в зону потока азотной плазмы с температурой 5500-7500 °С. Производился нагрев, плавление, испарение введенных материалов и их химическое взаимодействие [2].
Исследование размеров и кристаллографической структуры нанокомпозиций проводили с использованием электронного просвечивающего микроскопа ЭМ-125 при увеличении в 100.000 раз и дифрактометра ДРОН 2,0 в Cu-излучении.
Выплавку и модифицирование сталей проводили в промышленной индукционной печи САТ емкостью 100 кг при температуре до 1600 °С. Отливки деформировали на тонколистовом прокатном стане со степенью деформации 40 %. Механические испытания на растяжения проводили на стандартных образцах по ГОСТ 1497-84 на разрывной машине ЦД-4. Ударную вязкость определяли на маятниковом копре по ГОСТ 9454-80.
Оценку влияния модификаторов на эксплуатационные свойства исследуемых сталей проводили методом износостойкости на машине истирания СМЦ-2 при потере массы исходного образца немодифицированной стали 09Г2С.
Основными показателями свойств сталей, определяемых в эксперименте, выбраны: температура, время, глубина пропитки модификатором, состав модификатора, %.
Как основные показатели механических свойств приняты: предел прочности, предел текучести, относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость. Основными показателями кристаллографических параметров являлись периоды кристаллической решётки (а, с в А).
Химический состав нанодисперсных композиций, полученных на установке плазмо-химического синтеза, приведен в табл. 1.
Необходимо отметить, что основу всех исследованных композиций составляют элементы (А1, Т^ Mg), образующие химические соединения. Содержание элементов в свободном состоянии незначительно (до 20 %).
Характер размерного распределения на-ночастиц соединений, плазмохимического синтеза приведен на рис. 1.
Следует обратить внимание на то, что самый малый диапазон разброса размеров у частиц Т^С^ (10-70 нм), а самый большой разброс размеров - у частиц ТЮ (10-250 нм). В результате полученных данных можно сделать вывод, что характер распределения размеров частиц асимметричен.
Частицы Т^С^ с наибольшей плотностью (табл. 2) имеют средний размер менее 100 нм, а более легкие (АШ и SiC) частицы имеют больший размер - 150-200 нм.
TÍC í
Ш/ SiC Y
fA Mgisi\ \ >А
fi \ ч АК \\ ч ч О
о 50 100 150 200 250
Размеры частиц, нм
Рис. 1. Гистограмма распределения наноча-стиц Ti(CN), AlN, SiC, Mg2Si
Обобщенные результаты исследований кристаллографических и физических свойств нанодисперсных материалов приведены в табл. 2.
Анализ кристаллографических параметров порошков, электронно-микроскопических изображений частиц и их микродифракционных картин показывает, что искусственно созданные плазмохимическим синтезом тонкодисперсные композиции принадлежат к твердым кристаллическим веществам (рис. 2). SiC и Ti(CN) сохранили способность к самоогранке и представляют собой дискретную трехмерную систему. Способность синтезированных частиц самоограняться следствие их внутреннего кристаллографического строения, благодаря которому
атомы частиц-кристалликов располагаются на определенных прямых и плоскостях кристаллитов. Этому способствовала объемная конденсация плазменного газа в процессе плазмохимического синтеза, позволяющая частицам иметь свободную кристаллизующуюся поверхность, что подтверждается в работах [10-12].
Анализ микродифракционных картин кристаллов карбида кремния позволил установить, что они по своей кристаллической структуре относятся к гексагональной синго-нии с параметрами а=3,08 А, с=10,04 А. С теоретической точки зрения можно полагать, что огранка частиц стремится обеспечить максимальную поверхностную энергию при минимальных их размерах.
Электронно-микроскопический анализ частиц Ti(CN) показал, что частицы имеют гранецентрированную кубическую решетку с параметром a=4,25 А. Это согласуется с данными для TiC (a=4,319 А) и TiN (a=4,243 А) [13].
Сопоставление измеренного и расчетного межплоскостного расстояния Ti(CN) на дифракционных картинах показало, что решетка Ti(CN) построена на основе карбида титана TiC, атомы азота находятся в позициях атомов углерода, образуя твердый раствор замещения азота в кристаллической решетке карбида титана.
В соответствии с этим частицы Ti(CN) формируются в виде кубов или тетрагонов. На это указывают конфигурации проекций кристаллов при их ориентации [001], [111], [110]. Четкая линейность сторон проекций кубов указывает на высокое совершенство граней и ребер Ti(CN). Полученные данные согласуются с данными работ [13, 14]. В работах [9-13, 16] отмечается, что получение плазмохимических нанодисперсных порошков обусловлено высокими скоростями объемной конденсации газопламенного потока, что приводит к нестабильному состоянию нанодисперсных частиц. Ранее проведенные теоретические и экспериментальные исследования [5] показали, что для достижения тонкодисперсной структуры низколегированных сталей необходимое количество центров кристаллизации аустенита размером 30...50 нм в расплаве должно составлять 105...108 шт/см3. Это соответствует расходу 0,08.0,15 % мас. наномодификатора от массы расплава.
Эффективным способом создания тонкодисперсной структуры и высокого комплекса
механических свойств конструкционных сталей для строительных сооружений атомной техники является модифицирование расплавов тугоплавкими нанодисперсными композициями на основе титана [2, 5, 11]. Наиболее эффективным модификатором является карбонитрид титана Т^СЭД с размером частиц 30-50 нм. Эта тугоплавкая композиция имеет г.ц.к. - решетку подобно г.ц.к. решетке аустенита и способствует образованию дисперсной структуры низколегированных сталей. Механические свойства образцов, вырезанных из деформированных прутков, после термоупрочняющей обработки опытно-промышленных партий сталей 09Г2 и 09Г2С до и после модифицирования приведены в табл. 3 (приведены средние значения свойств по 7 образцам).
При рассмотрении массива данных механических испытаний установлено, что в результате модифицирования нанодисперсным Т^СЭД повышаются прочностные и пластические свойства сталей: ов повышается в среднем на 23 %; о0,2 - на 19 %; 5 - на 23 %; у - на 6 %. При этом наиболее значительно повышение ударной вязкости в среднем на 39 % по сравнению с немодифицированным состоянием. Это доказывает эффективность модифицирования.
Для оценки влияния нанопорошков на эксплуатационные свойства деталей проведены исследования влияния глубины пропитки стальным расплавом нанопорошков Т^СЭД и ТЮ в виде обмазки на внутренней поверхности литейной формы, формирующей в процессе заливки рабочую поверхность литой детали. Существенное влияние на процесс пропитки имеет однородность порошковой смеси. Поэтому смеси нанопо-рошков Т^СЭД и ТЮ готовили путем длительного перемешивания компонентов в атт-риторе для достижения равномерного распределения [13]. Склонность стального расплава и нанопорошков к взаимному проникновению оценивали по глубине пропитанного слоя на рабочей поверхности деталей. Результаты замеров приведены в табл. 4.
Анализ данных таблицы показывает, что пропитка слоя стали нанопорошком Т^СЭД в смеси с Т^СЭД способствует увеличению глубины композиционного слоя по сравнению с чистым карбидом титана. Наибольшую (20-22 мм) пропитку имеет нанопоро-шок Т^С^.
Результаты исследования влияния температуры заливаемого металла и времени вы-
держки расплава на глубину пропитки приведены на рис. 2.
п 12
о &
£ 4
у У г "
/ / ✓ - ш ^ г9
7 у / /
1600°С
1560°С
Время выдержки, мин
Рис. 2. Влияние температуры заливаемого
металла и времени выдержки расплава на
глубину пропитки
Экспериментально установлено, что повышение температуры заливаемой стали до 1600 °С и времени выдержки расплава до 8 мин значительно увеличивает глубину пропитки: образцы стали 09Г2С в исходном состоянии и после пропитки испытывали на износостойкость, которую оценивали по потере массы образца с 12 до 20 мм. Результаты испытания показали, что наиболее высокую износостойкость имела сталь, модифицированная Износостойкость модифицированной стали 09Г2С в 2,5 раза выше износостойкости исходной стали.
Полученные результаты испытаний эксплуатационных свойств модифицированной стали 09Г2С могут иметь важное практическое значение, поскольку позволяют обоснованно подходить к выбору состава и размерно-кристаллографических параметров нано-модификатора.
С теоретической точки зрения полученные экспериментальные данные представляют научную новизну, а именно: разработан механизм взаимодействия стального расплава со слоем нанодисперсной композиции, который включает следующие процессы: нагрев слоя нанопорошка за счет физического тепла расплава, фильтрацию расплава в поры порошка, распределение частиц нано-порошка в жидком расплаве, диффузионные процессы при охлаждении металла. Эти результаты являются преимуществом данного исследования. Однако нельзя не отметить, что при обосновании выбора параметров модификатора и трактовке механических свойств сталей (табл. 3) не учитывается изменение структуры модифицированной ста-
ли. Такая неопределенность накладывает определенные ограничения на использование полученных результатов, что можно трактовать как недостаток данного исследования. Невозможность устранить эти ограничения в рамках данного исследования обосновывает
потенциально интересное научное направление дальнейших исследований. Они могут быть ориентированы также на изучение связи структуры пропитанных слоев стали с температурно-временными параметрами процесса.
Таблица 1 - Химический состав синтезированных нанодисперсных соединений
Наименование материала Содержание элементов, % мас.
Si ^своб С Ссвоб N А1 А1своб ТС Т^воб* Mg
SiC 60... 65 1,0. 2,0 30. 32 2,0. 2,2 0,5. 1,0 - - - - -
АШ - - - 0,1. 0,5 30. 33 60. 65 0,5. 2,0 - - -
ТЮ - - 18.21 1,0. 1,5 - - - 76. 80 1,0. 1,5 -
™ - - - 1,0. 2,0 20. 23 - - 75. 78 1,0. 1,5 -
Т^СМ) - - 15. 17 0,5. 1,0 19. 22 - - 60. 65 0,5. 1,0 -
Mg2Si 33. 36 1,0. 2,0 - - 1,0. 2,0 - - - - 63. 65
Таблица 2 - Кристаллографические и физические свойства нанокомпозиций
Материал Пространственно-геометрическая форма частиц Тип фазы Период решетки, А Плотность, кг/м3 Температура плавления (разложения), °С Расчётная удельная поверхность, м2/г
а с
SiC Гексагональная, тригональная Внедрение 3,080 10,04 3220 2830 Разложения 54,8
АШ Гексагональная Внедрение - - 2350 2200 Плавления 64,6
ТЮ Кубическая Внедрение 4,319 - 4920 3140 Плавления 24,7
™ Кубическая Внедрение 4,243 - 5430 2950 Плавления 21,6
Т^СМ) Кубическая Внедрение 4,256 - 4950 3120 Плавления 24,0
Mg2Si Кубическая, сферическая Замещение 6,338 - 2920 1170 Разложения 42,8
Таблица 3 - Влияние модифицирования на механические свойства сталей
Марка стали Состояние стали Механические свойства
с в, МПа с 0,2, МПа 5,% V , % КСи, МДж/м2
С345 Немодифицированная 574 512 19,0 40,6 0,58
С345 Модифицированная 762 641 21,5 45,2 0,76
С355 Немодифицированная 7657 568 18,2 43,0 0,58
С355 Модифицированная 8811 675 22,4 45,7 0,81
Таблица 4 - Глубина пропитки сталей С345 и С355 различными композициями
Номер опыта Глубина пропитки, мм
Т^СМ), 100 % ТЮ, 100 % 50 % Т^СМ) +50 % ТЮ
1 18.20 15.17 17.19
2 17.19 13.15 15.17
3 16.18 13.15 15.17
4 20.22 15.17 17.19
Выводы
Проведенными исследованиями установлены особенности кристаллографического строения физических свойств нанодисперс-ных соединений карбидного, карбонитрид-ного и силицидного класса, которые заключаются в соответствии параметров кристаллической решетки наночастиц с кристаллической решеткой стали. Благодаря этому факту можно утверждать, что именно нано-дисперсный карбонитрид титана Ti(CN) наиболее эффективно влияет на процесс модифицирования. Это проявляется в том, что частицы Ti(CN) служат центрами кристаллизации, позволяющими получить дисперсное строение стали, а следовательно, и высокий уровень механических свойств.
Анализом массива данных механических свойств деформированных заготовок установлено, что модифицирование карбонитри-дом титана повышает ов в среднем на 23 %;
00.2.- на 19 %; 5 - на 23 %; у - на 6 %. 09Г2 и 09Г2С; наиболее значительно (на 39 %) повышается ударная вязкость.
В результате проведенных экспериментов установлен механизм взаимодействия стального расплава со слоем нанодисперсной композиции. Установлены температурно-временные параметры пропитки , позволяющие получить максимальную глубину слоя при модифицировании Ti(CN).
Установлена эффективность применения нанодисперсных композиций в промышленных условиях производства конструкционных сталей с повышенным комплексом механических и эксплуатационных свойств.
Лтратура
1. Bolshakov V.I. Structure and Properties of
Building Materials / V.I. Bolshakov, L.L. Dvorkin.- Switzerland: TTP, 2016. 220 p.
2. Стафецкий Л.П. Плазменный синтез нанопо-
рошков в АО «NEOMAT» / Сб. докладов «плазменные процессы в металлургии и обработке металлов». - М.: ИМет им. А.А. Байкова. 2016. - С. 25-29.
3. Nikiforchyn H. Chapter 2: Physical and mechanical properties of surface nanocrystalline structures// Nanocomposites, Nanophotonics, Nanobiotechnology and Aplications / V. Ky-ryliv, O. Maksymov, O. Fesenko, L. Yatcenko. - Inbunden: Springer, 2014. - рp. 31-41.
4. Barsoum W. Max-Phases: Properties of Machinable termary Carbides and Nitrides. John Willey and sons. - Weinheim, Germany, 2013. - 126 p.
5. Калинина Н.Е. Получение нанодисперсных
модификаторов для отработки жаропрочных
сплавов / Н.Е. Калинина, О.А. Кавац, В.Т. Калинин// Авиационно-космическая техника и технология. - 2007. - №8(44). - С. 41-44.
6. Naguib V.N. MXenes: A new family of 2-
Dimensional Materials / Advanced Functional Materials / V.N. Naguib, M.W. Barsoum, Y. Gogotsy. 2014, 26. рр. 992-1005.
7. Carbon Nanotube Electronics / Ed. A. Javey, J.
Kong. Springer Science + Business Media, LLC, 2009. 265 p.
8. Tagmatarchis N. Advances in Carbon Nano-
materials - Science and Applications. Pan Stanford Publishing, 2011. 400 p.
9. Fu C., Thermal radiative properties of metamateri-
als and other nanostructured materials: A review / N. Tagmatarchis, Z. Zhang // Frontiers of Energy and Power Engineering China. 3 (1), рр. 11-26.
10. Rodriguez J. Synthesis, properties, and applications of oxide nanomaterials / J. Rodriguez, M. Garcia. - Wiley-Interscience, 2007. 717 p.
11. Vollath D. Nanomaterials: an introduction to synthesis, properties and application. Wiley-VCH, 2008. 352 p.
12. Nanoparticle Technology Handbook / Ed. M. Hosokawa, K. Nogi, M. Naito, T. Yokoya-ma. Elsevier. 2007. 644 p.
13. Kumar C. Nanocomposites. Wiley-VCH, 2010.
466 p.
14. Thermal Nanosystems and Nanomaterials / S. Volz (Ed.) // Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2009. 573 p.
15. King W. Thermomechanical Formation and Thermal Imaging of Polymer Nanostructures: Heat Transfer and Fluid Flow in Microscale and Nanoscale Devices // M. Faghri and B. Sunden. Eds. Southampton: WIT Press, 2002. pp. 131171.
References
1. Bolshakov, V.I., Dvorkin L.L. (2016). Structure
and Properties of Building Materials. Switzerland: TTP, 220.
2. Stafetskiy, L.P. (2016). Plazmennyy sintez
nanoporoshkov v AO «NEOMAT». Sb. dokladov «plazmennye protsessy v metallurgii i obrabotke metallov». Moscow: IMet im. A.A. Baykova. 25-29.
3. Nikiforchyn, H., Kyryliv, V., Maksymov, O.,
Fesenko, O., Yatcenko, L. (2014). Chapter 2: Physical and mechanical properties of surface nanocrystalline structures. Nanocomposites, Nanophotonics, Nanobiotechnology and Aplications. Inbunden: Springer, 31-41.
4. Barsoum, W. (2013). Max-Phases: Properties of
Machinable termary Carbides and Nitrides. John Willey and sons. Weinheim, Germany, 126.
5. Kalinina, N.Ye., Kavats, O.A., Kalinin, V.T.
(2007). Poluchenie nanodispersnykh modifika-torov dlya otrabotki zharoprochnykh splavov.
Aviatsionno-kosmicheskaya tekhnika i tekhno-logiya. №8(44). 41-44.
6. Naguib, V.N., Barsoum, M.W., Gogotsy Y.
(2014). MXenes: A new family of 2-Dimen-sional Materials. Advanced Functional Materials. 26. 992-1005.
7. Carbon Nanotube Electronics (2009). Ed. A.
Javey, J. Kong. Springer Science + Business Media, LLC, 265.
8. Tagmatarchis, N. (2011). Advances in Carbon
Nanomaterials - Science and Applications. Pan Stanford Publishing, .400.
9. Fu, C., Tagmatarchis, N., Zhang, Z. Thermal
radiative properties of metamaterials and other nanostructured materials: A review, Frontiers of Energy and Power Engineering China. 3 (1). 11-26.
10. Rodriguez, J., Garcia, M. (2007). Synthesis, properties, and applications of oxide nano-materials. Wiley-Interscience, 717.
11. Vollath, D. (2008). Nanomaterials: an introduction to synthesis, properties and application. Wiley-VCH, 352.
12. Hosokawa, Ed. M., Nogi, K., Naito, M., Yokoyama, T. (2007). Nanoparticle Technology Handbook. Elsevier. 644.
13. Kumar, C. (2010). Nanocomposites. Wiley-VCH,
466.
14. Thermal Nanosystems and Nanomaterials (2009).
S. Volz (Ed.). Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 573 p.
15. King W., Goodson K. (2002). Thermomechanical
Formation and Thermal Imaging of Polymer Nanostructures: Heat Transfer and Fluid Flow in Microscale and Nanoscale Devices. M. Faghri and B. Sunden. Eds. Southampton: WIT Press, 131-171.
Большаков Володимир ¡вамович, д.т.н., профе-сор,
кафедра технологii металiв та матерiалознавства, kalininadnu@gmail. com,
Приднiпровська державна академiя будiвництва та архiтектури,
Калiмiм Олексамдр Васильович, докторант, kalininadnu@gmail. com,
Придшпровська державна академiя будiвництва та архггектури,
Глушкова Дiама Борисiвма, д.т.м., проф., зав. кафедри технологи металiв та матерiалознав-ства, 057-707 37-29, [email protected], Харкчвськ'ии мац1омальмии авчомоб1льмо-дорожмiй унiверситет, 61002, Укра'ша, м. Харкчв, вул. Ярослава Мудрого, 25
MODIFICATION OF STRUCTURAL MATERIALS UNDER SATURATION BY PLASMECHEMICAL SYNTHESIS BY NANOPARTICLES
Bolshakov V.I., Kalinin A.V., Pridneprovskaya State Academy of construction and architecture, Glushkova D.B., KhNAHU
Abstract. The chemical composition of nanodis-persed compositions was determined: SiC, TiC, TiN, Ti(CN), AlN, Mg2Si, MgNi- The chemical composition of the synthesized compounds corresponded to the stoichiometric composition. An analysis of particles microdiffraction patterns was carried out, it was shown that nanopowders belongs to solid crystalline bodies with a metallic bond. It has been established that Ti (CN) titanium carbonitride particles are face-centered, and silicon carbide (SiC) have a hexagonal crystal lattice. Experiments on the surface modification of 09G2, 09G2S steels with nanopowder compositions based on Ti (CN) and SiC have been carried out. The effectiveness of using nanodispersed compositions in the smelting of structural steels has been established. As a result of the 09G2S steel modification with Ti (CN) nanopowder, the strength, plastic properties and toughness were increased. The choosing of nanodispersed Ti (CN) carbonitride powders with a fraction less than 100 nm as modifiers of low-alloy steels was substantiated. The necessary criteria for the selection of nanopowder modifiers was obtained: insolubility in melt, conformity of the crystal lattices with the matrix of steel, proportionality with the critical radius of the austenite nucleus during crystallization. The mechanism of a steel melt interaction with a layer of a nanodisperse composition was established.
Key words: nanodispersed composition, modification, plasmochemical synthesis, structural steel, mechanical properties, crystallographic parameters.
МОДИФ1КАЦ1Я КОНСТРУКЦ1ЙНИХ МАТЕР1АЛ1В ПРИ НАСИЧЕНН1
НАНОЧАСТИНКАМИ, ЩО ОТРИМАН1 ПЛАЗМОХ1М1ЧНИМ СИНТЕЗОМ
Большаков В.1., Ка. liiiiii О.В.,
Придшпровська державна академiя будiвництва i арх^ектури Глушкова Д.Б.,
Харкчвськ'ий нащональний автомобшьно-дорожнш ушверситет
Анотаця Визначено xîmîhhuû склад нанодис-персних композицт: SiC, TiC, TiN, Ti(CN), AlN, Mg2Si, Mg3N2. Хгмгчний склад синтезованих спо-лук в1дпов1дав стехгометричному складу. Проведено анализ мжродифракцшних картин частинок, показано належнгсть нанопорошюв до твердих кристалгчних тгл з металевим зв'язком. Вста-новлено, що частинки карбонтриду титану Ti (CN) мають гранецентровану, а карб1ду кремню (SiC) - гексагональну кристалгчну решгтку. Були
проведет експерименти з поверхневого мо-дифiкування сталей нанопорошковими компо-зищями на основi Т (СЫ) i SiC. Встановлено ефективтсть застосування нанодисперсних композицш пiд час виплавки конструкцтних сталей. У результатi модифщвання сталi 09Г2С нанопорошком Т (СЫ) пiдвищено характеристики мiцностi, пластичнi властивостi та ударну в 'язюсть.
Обтрунтовано вибiр нанодисперсних порошюв карботтриду титану Т (СЫ) фракци менше 100 нм в якостi модифiкаторiв низьколегованих
сталей. Отримано необхiднi критерИ вибору нанопорошкових модифiкаторiв: нерозчиннкть в розплавi, вiдповiднiсть кристалЫних решiток матрицi сталi, спiвмiрнiсть 1з критичним радiусом зародка аустенiту при кристалгзацИ. Встановлено механизм взаемоди сталевого роз-плаву з шаром нанодисперсно'1 композицИ.
Ключовi слова: нанодисперсна компози^я, модиф^вання, плазмохiмiчний синтез, кон-струкцшна сталь, механiчнi властивостi, кри-сталографiчнi параметри.
