CC BY
108
ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 54-19
М. Е. Колпаков, А. Ф. Дресвянников, В. Н. Доронин,
Е. А. Ермолаева
СИНТЕЗ ИНТЕРМЕТАЛЛИДОВ В СИСТЕМЕ Fe-Co-Al
Ключевые слова: интерметаллиды, железо, кобальт, алюминий, искровое плазменное спекание.
Для синтеза интерметаллидов предложено использовать искровое плазменное спекание дисперсных прекурсоров, содержащих элементные железо, кобальт и алюминий, полученных электрохимическим методом.
Keywords: intermetallic, iron, cobalt, aluminium, spark plasma sintering.
Synthesis of intermetallics suggested using spark plasma sintering of dispersed elemental iron, cobalt and aluminum containing precursor, obtained by electrochemical method.
Система Fe-Co вызывает интерес исследователей в связи с высокой технической востребованностью (магнитные сплавы, специальные стали и др.). В тоже время хорошо известно, что сплавы на основе алюминидов железа FeAl и FeßAl, характеризуются хорошим сопротивлением коррозии и окислению, механическому износу [1].
Следует отметить, что диаграмма состояния системы Co-Fe характеризуется отсутствием промежуточных фаз [2]. Между (YFe) и высокотемпературной модификацией (аСо) образуется непрерывный ряд твердых растворов (YFe, aCo); кривые ликвидус-солидус имеют минимум при температуре 1475°С, и содержании 65% (ат.) Со.
Растворимость Со в (aFe) также весьма велика. Кривые превращения (aFe) ^ (YFe, aCo) имеют максимум при содержании 45% (ат.) Со и температуре 970°С [3] или 985°С [4, 5]. При понижении температуры происходит упорядочение по типу CsCl за счет перехода второго рода (максимум температуры упорядочения соответствует 733°С при концентрации 48% (ат.) Со). Фаза упорядочения обозначена FeCo. Скептицизм в отношении этой фазы, выраженный в работе [4], представляется неоправданным.
Пересечение линий точек Кюри (Tc) с границами твердых растворов имеет место при содержании 15% (ат.) Со и 69% (ат.) Со.
Диаграмма системы Fe-Al содержит информацию о нескольких интерметаллических соединениях: FeßAl, FeAÍ2, Fe2AÍ5, FeAlß и ограниченных твердых растворов как со стороны Fe, так и Al. Со стороны Fe имеет место значительная по протяженности область твердых растворов Al в a-Fe с ОЦК решеткой. Область твердых растворов на основе Y-Fe с ГЦК решеткой является замкнутой и небольшой по протяженности [6].
Оптимальным представляется получение прекурсоров интерметаллических систем из водных растворов электрохимическими и химическими методами с последующим искровым плазменным спеканием (SPS).
SPS-процесс основан на электрическом искровом разряде: высокоэнергетическая импульсная искра на мгновение генерирует плазму при высоких локализованных температурах до 10000°С. Температуры SPS-спекания на 200-500 °С ниже, чем при традиционном процессе. Парообразование, плавление и спекание происходит за короткий период времени - приблизительно 5-20 минут, включая нагрев и продолжительность выдержки при данной температуре.
В данном исследовании образцы, содержащие элементные a-Fe, Co и Al, в виде поликристаллической системы получали электрохимическим способом и далее проводили
ЭРЭ-процесс. Химический и фазовый состав, тонкую структуру образцов после проведения ЭРЭ-процесса определяли методом рентгеновской дифрактометрии. Характерная дифрактограмма приведена на рис.1. Подъем профиля фона на дифрактограмме (рис.1) в сторону больших углов, по всей видимости, обусловлен наличием микроискажений кристаллической решетки.
Рис. 1 - Дифрактограмма
Согласно данным рентгенофазового анализа (табл.1), спеченный образец состоит из ОоРе и РвэД!. Это свидетельствует о твердофазном процессе образования интерметаллической фазы из элементных металлов.
Исследование механических свойств показало, что полученный образец при плотности 7,5 г/смэ обладает микротвердостью 464 кгс/мм2.
Таблица 1 - Результаты рентгеновского структурно-фазового анализа
Фазовый состав Содержание фаз, % атом. Параметр кристаллической решетки, нм Размер ОКР, нм Микронапряжение
CoFe 40,07 0,28617 7181,1 1,1-10"5
FesAl 59,93 0,58156 6383,4 1,9-10"2
Экспериментальная часть
Синтез прекурсора основан на электрохимическом процессе восстановления ионов железа(Ш) и кобальта(П) на суспензионном алюминиевом электроде [1].
Спеченный образец получен путем искрового плазменного спекания (SPS) на установке SPS-511S (Япония) при следующих режимах: давление прессования - 50 МПа; время выдержки под давлением - 5 мин; температура нагрева - 1000°С; время нагрева - 12 мин.
Полученные объекты анализировали на предмет химического и фазового состава с помощью рентгеновского дифрактометра ДРОН-7. С целью уменьшения фона от рассеяния первичного пучка рентгеновских лучей на воздухе, использовалось длинноволновое излучение FeK« с ß-фильтром. Режим записи дифрактограмм был следующий: напряжение 30 кВ и ток 15 мА, щели гониометра составляли 1-1-18 мм , а диапазон углов записи 2$
составлял от 20 до 160 градусов. Пробоподготовка заключалась в переводе компактных образцов в порошкообразную форму.
Дифрактограммы обрабатывали с помощью многофункционального программного продукта MAUD 1.85. В качестве эталона для сравнения профилей линий (для определения размеров областей когерентного рассеяния и микронапряжений) использовали отожженную медную фольгу.
Исследование выполнено в рамках госконтракта №16.740.11.0207 в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» и госконтракта № 02.740.11.0130 «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области создания и обработки композиционных керамических материалов для машино-, авиастроения, химической промышленности и стройиндустрии».
Литература
1. Колпаков, М.Е. Электрохимический синтез наночастиц кобальта, никеля и железа / М.Е. Колпаков, А.Ф. Дресвянников, Е.В. Пронина, Т.З. Лыгина, Н.И. Наумкина, П.Р. Хуснутдинов // Вестник Казанского технологического университета, 2009. - №2. - С.111-114.
2. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник: В 3 т.: Т.2 / Под общей редакцией Н.П. Лякишева. - М.: Машиностроение, 1997. - 1024 с.
3. Кубашевски, О. Диаграммы состояния двойных систем на основе железа: Пер.с англ. / Под ред. Л.А. Петровой. - М.: Металлургия, 1985. - 184 с.
4. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа. / О.А. Банных, П.Б. Будберг, С.П. Алисова и др. - М.: Металлургия, 1986. - 440 с.
5. Nishizawa, Т. The Co-Fe (Cobalt-Iron) system / Т. Nishizawa, К. Ishida // Journal of Phase Equilibria, 1984. - V.5, №3. - P.250-259.
6. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник: В 3 т.: Т.1 / Под общей редакцией Н.П. Лякишева. - М.: Машиностроение, 1996. - 992 с.
© М. Е. Колпаков - канд. хим. наук, доц. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КГТУ, [email protected]; А. Ф. Дресвянников - д-р хим. наук, проф. той же кафедры [email protected]; В. Н. Доронин - вед. инженер Центра коллективного пользования «Нанотехнологии и наноматериалы» КГТУ Е. А. Ермолаева - канд. хим. наук, доц. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КГТУ.
