CC BY
93
В Ы В О Д Ы
Использование сотового каркаса позволяет при сохранении прежней прочности и общей жесткости барабана снизить массу его обечайки и ступиц, а также полностью отказаться от применения каких-либо дополнительных внутренних силовых элементов (например, колец).
Снижение массы достигается и за счет использования в барабане с сотовым каркасом полого шестигранного вала.
Другим важным преимуществом барабанов с сотовым каркасом является их высокая технологичность, обусловленная тем, что производство в больших масштабах, идентичных друг другу, относительно небольших по массе и габариту полых шестигранных элементов из пластин или гнутых элементов не вызывает трудностей, а сборка барабанов различных раз-
меров значительно проще сборки существующих барабанов.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Спиваковский, А. О. Транспортирующие машины / А. О. Спиваковский [и др.]. - М: Машиностроение, 1968. - 109 с.
2. Андреев, В. А. Транспортные машины и комплексы подземных разработок / В. А. Андреев, В. А. Дьяков, Е. Е. Шешко. - М.: Недра, 1975. - 464 с.
3. Подопригора, Ю. А. Конструкция барабана ленточного конвейера: информ. листок / Ю. А. Подопригора, М. Л. Гулак. - Брянск: ЦНТИ, 1998. - 4 с.
4. А. с. 1490043 СССР, МКИ3 В 65 О 23/04.
5. Дьячков, В. К. Современные конструкции узлов ленточных конвейеров: обзор / В. К. Дьячков. - М.: НИИинформтяжмаш, 1978. - 48 с.
6. Диллон, Б. Инженерные методы обеспечения надежности систем / Б. Диллон, Ч. Сингх. - М.: Мир, 1984. -318 с.
Поступила 25.01.2006
УДК 621.762.8
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ 81С В АЛМАЗОСОДЕРЖАЩЕЙ КОМПОЗИЦИИ ПРИ НИЗКИХ ДАВЛЕНИЯХ
Инж. ЖУК А. Е.
Белорусский национальный технический университет
Создание композиционного материала на основе алмаза и карбида кремния при низких давлениях обусловлено образованием 8Ю при взаимодействии жидкого кремния с углеродом, который формируется на поверхности кристаллов алмаза за счет частичной графитации алмаза при температуре 1500 °С. При этом реализуется технология реакционного спекания, что позволяет получить сверхтвердый материал «Скелетон Б» с высокими физикомеханическими свойствами, прежде всего твердостью по Кнуппу 50-55 ГПа, модулем упругости 600-750 ГПа, высокой износостойкостью и теплопроводностью 450-650 Вт/(мК) [1]. Более высокие значения свойств дости-
гаются при использовании шихты, содержащей смесь алмазных кристаллов с отличающимися друг от друга размерами в несколько раз. Формирование изделия идет на ранних стадиях в присутствии удаляемой технологической связки (фенолформальдегидной смолы), что приводит к образованию пористой заготовки (пористость 30-60 об.%). Последующие термообработка заготовки в вакууме и пропитка жидким кремнием позволяют получить пронизывающие друг друга каркасы алмаза и карбида кремния.
Достоинством технологии является отсутствие процесса усадки, что исключает необходимость окончательной механической обра-
ботки изделия из сверхтвердого материала. Установлены оптимальные технологические параметры, обеспечивающие получение материала, который отвечает требованиям, предъявляемым к материалу абразивного и формующего инструмента.
Целью представленной работы являлось создание близкого к «Скелетон Б» по свойствам материала с исключением потерь массы алмаза на графитацию за счет предварительной защиты поверхности алмаза нанопокрытием из 8Ю. Предусматривалось осуществлять покрытие вакуумным магнетронным распылением одновременно кремния и углерода. Различие в строении и свойствах наноматериала покрытия и карбидокремниевой матрицы КМ позволяет реализовать различные механизмы образования 8Ю в покрытии и формирования карбидокремниевой матрицы в присутствии жидкой фазы. Поэтому выявление закономерностей образования 81С в покрытии и композиционном материале в процессе пропитки пористой заготовки из алмазных частиц с нанопокрытием жидким кремнием представляет интерес, так как позволит реализовать условия получения материала с повышенными свойствами.
Технология получения композиции «алмаз -карбид кремния» включает известные операции формования пористой заготовки из кристаллов алмаза (прессование, шликерное литье и т. п.), при которых образуется каркасная структура из кристаллов алмаза с покрытием, с последующей пропиткой ее жидким кремнием. Предварительная операция по нанесению нанопокрытия осуществлялась в специальном смешивающем барабане, который обеспечивал равномерное нанесение покрытия из смеси атомов или кластеров кремния и углерода на частицы алмаза. Для получения хорошей адгезии между покрытием и алмазом поверхность последнего активировалась путем обработки плазмой тлеющего разряда.
Исследования проводили на алмазных синтетических микропорошках различных фракций (АСМ 14/10, 7/5, 1/0), причем для высокой износостойкости применяли ультрадисперсные порошки со средним размером частиц менее 1 мкм с высокой удельной поверхностью, активность которых требует использования вакуумных технологий. Процесс нагрева до
температуры пропитки 1500 °С приводит к потерям массы алмаза за счет частичной графи-тации, протекающей на поверхности алмаза, которая для активных порошков малых фракций достигает 50 масс.%. Анализ результатов исследования процессов нанесения покрытия на алмазные микрошлифпорошки показал, что плотные слои карбида кремния толщиной 10-160 нм могут формироваться при напылении тонких пленок из смеси атомов или кластеров кремния и углерода магнетронным распылением с последующей их термической обработкой [2].
Применение синтетических алмазов сдерживается их склонностью к окислению на воздухе (при 620 °С они сгорают). Для защиты их от окисления используют никелевые, хромовые и титановые покрытия, которые неоднородны и имеют низкую прочность. Для повышения прочности и создания защиты алмазов от графитации и окисления предложено использовать карбидокремниевые покрытия. Исследования сопротивления окислению алмазов, покрытых тонким наноструктурным слоем карбида кремния, при нагреве в окислительной атмосфере в диапазоне температур 600-1000 °С выявили, что интенсивное окисление алмаза наблюдается при нагреве свыше 800 °С, что на 200 °С выше, чем для непокрытого алмаза [3].
Закономерности процесса магнетронного напыления нанопокрытий выявлялись с учетом известных механизмов взаимодействия атомов мишени с летящими с низкими скоростями ионов, что вызывает за счет упругого столкновения смещение атомов относительно равновесного положения и, как следствие, их распыление. Исследование механизма процесса распыления, переноса и конденсации вещества при нанесении нанопокрытий [2] описывает процессы с учетом неоднородности распыляемого потока. Согласно этому механизму эмиссионный поток взаимодействует с локализованной плазмой магнетронного разряда. Он имеет повышенную плотность, ограниченный объем и содержит высокоэнергетичные электроны, ионы, нейтральные атомы. Часть атомов эмиссионного потока пронизывает плазменное пространство и под влиянием теплового, фотонного и электрического воздействия переходит
в возбужденное или метастабильное состояние, оставаясь электрически нейтральным. Активации подвергаются атомы потока с нормальными и малоугловыми (расходящимися и скрещивающимися) траекториями движения относительно зоны эрозии. Формирование однородной области высокоэнергетичных атомов на значительном удалении от катода при низких температурах создает условия напыления, обеспечивающие образование аморфной структуры в тонких нанослоях (10-20 нм) на частицах алмаза за счет высокой их теплопроводности (до 1000 Вт/(мК)).
Образование 8Ю происходит в нанопокрытии за счет взаимодействия кремния и углерода при последующей обработке слоя плазмой тлеющего разряда. При этом реализуется принцип раздельного синтеза, при котором на первом этапе формируется покрытие из смеси компонентов со структурой низкой дефектности, а на втором - протекает реакционное спекание 81С в твердой фазе при низких температурах.
Проведенные дилатометрические исследования показали, что синтез (реакционное спекание в твердой фазе) 8Ю из кремния и углерода состава, соответствующего стехиометрическому, протекает при температурах 650-850 °С, что приводит к уменьшению объема и повышению плотности покрытия.
Общий вид кристаллов алмаза с покрытием кремнием и углеродом (а) и состояние поверхности (б) представлены на рис. 1. Тонкое наномерное покрытие алмаза практически не изменяет вид кристаллов алмаза.
а б
Рис. 1. Кристаллы алмаза АСМ 14/10 с покрытием
В процессе обработки нанопокрытия плазмой тлеющего разряда формируется карбид кремния с аморфной структурой в зоне контакта покрытия с кристаллом алмаза. Структура покрытия (а) и картина микродифракций (б) представлены на рис. 2.
Оценку адгезионной прочности покрытия и алмазной частицы осуществляли путем раздавливания частицы с покрытием на прессе. Установлено, что на оптимальных режимах напыления наблюдается качественное соединение компонентов.
а б
Рис. 2. Структура частицы с покрытием, обработанная плазмой тлеющего разряда
Вторая стадия - реакционного спекания -идет с образованием карбидокремниевой матрицы при повышении температуры до 1500 °С, обеспечивающей расплавление кремния. Модель структурообразования в композиционном материале «алмаз - карбид кремния» схематично представлена на рис. 3. Источником углерода является пиролитический углерод, который предварительно наносится на частицы алмаза с нанопокрытием 8ІС. На рис. 3а показана структура, которая формируется в пористой заготовке. Наряду с кристаллами алмаза для формирования дополнительных центров кристаллизации вторичного 8ІС предложено дополнительно вводить в шихту первичный 8ІС. Использовали как наноструктурный 8ІС, так и домикронный порошок 8ІС, активированный взрывом. В процессе нагрева при пропитке в нанопокрытии алмаза образуется а-8ІС при более низких температурах. При 1500 °С пористая структура заполняется жидким кремнием (рис. 3б). При этом наночастицы первичного а-8ІС инфильтрируют по объему заготовку совместно с жидким кремнием. Высокая активность и пористое строение покрытия из пиролитического углерода приводят к интенсивному растворению углерода в жидком крем-
нии (рис. 3в). Одновременно с процессом растворения углерода в зоне контакта с твердым веществом (алмазной частицей с покрытием 8Ю либо частицей первичного 81С) образуется вторичный карбид кремния Р-81С.
В отличие от структуры композита «Скелетон Б», содержащего Р^С, разработанный композиционный материал содержит как Р-81С, так и высокотемпературную модификацию а-81С. Если расчет компонентов выполнен правильно, то свободного кремния в композиционном материале практически не остается.
Структура полученного композита представляет собой кристаллы алмаза с пронизы-
вающей их карбидокремниевой матрицей (рис. 3г).
Структура композита «алмаз - карбид кремния» с нанопокрытием кристаллов алмаза представлена на рис. 4.
Структура композита состоит из кристаллов алмаза и карбида кремния а- и Р-модификаций. В зоне у границы алмазных частиц формируется нанодисперсная структура БІС покрытия. В процессе жидкофазного реакционного спекания БІС в качестве движущей силы спекания выступает уменьшение термодинамического потенциала системы, вызванное синтезом новой фазы.
б
Рис. 3. Схема модели получения композиции «алмаз - БІС» с покрытием: а - пористый каркас «алмаз - первичный БІС» с покрытием (БІСам и Спир); б - пропитка каркаса жидким БІ; в - образование раствора (БІ+С) и формирование БІС в покрытии; г - структура композита
б
Рис. 4. Фрактограммы поверхности разрушения и картина микродифракций композиции «алмаз - карбид кремния»: а - фракто-грамма поверхности разрушения; б - картина микродифракций; в - тонкая структура композиции «алмаз - карбид кремния»
а
а
в
В Ы В О Д
Выполненные исследования позволили установить закономерности и механизмы формирования карбида кремния в покрытии и композиционном материале. Установлено, что в нанопокрытии, представляющем собой активную смесь атомов и кластеров кремния и углерода, реакция взаимодействия компонентов протекает при низких температурах в твердой фазе. Использование вакуумной технологии нанесения и термообработки плазмой тлеющего разряда приводит к образованию а^Ю в нанопокрытии. Перспективным методом получения нанопокрытия из а-8Ю с повышенными свойствами является ее раздельный синтез путем создания бездефектной структуры смеси кремния и углерода с последующим переводом в вакууме в тугоплавкое соединение при обработке плазмой тлеющего разряда. При этом этапы синтеза можно проводить на оптимальных режимах. Синтез 8Ю при получении сверхтвердого материала «алмаз - карбид кремния», протекающий при спекании в присутствии жидкой фазы кремния, приводит к образованию Р-81С. Уровень свойств полученного материала соответствует сверхтвердому материалу «Скелетон Б» по верхней границе значений. Формирование в зоне соединения наноструктурного слоя а^С обеспечивает высо-
кую адгезионную прочность. Сформированная структура композита «алмаз - карбид кремния» позволяет повысить вязкость разрушения материала с 5,7 до 10 МПа/м0,5.
Развитие нанотехнологии привело к созданию наноструктурной керамики, управление строением которой осуществляется на кластерном уровне. Эти технологии могут найти применение при создании сверхтвердых материалов на основе алмаза и карбида кремния, материалов с высокой вязкостью разрушения, высокими износостойкостью и теплопроводностью.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Гордеев, С. К. Алмазные композиционные конструкционные материалы / С. К. Гордеев // Теория и практики технологий производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов: труды междунар. конф., Москва, 27-30 авг. 2003 г. - М.: Знание,
2004. - С. 37-41.
2. Ковалевский, В. Н. Исследование эмиссионных процессов в плазме тлеющего разряда и их адаптация к магнетронным распылительным системам / В. Н. Ковалевский, К. Б. Фигурин, Б. Л. Фигурин // Металлургия. -Минск: Вышэйш. шк., 2002. - Вып. 26. - С. 87-91.
3. Структурообразование карбидокремниевой матрицы в композиции алмаз - карбид кремния / В. Н. Ковалевский [и др.] // Огнеупоры и техническая керамика. -
2005. - № 5. - С. 8-14.
Поступила 10.10.2006
УДК 621.9.048.4.06
ОСОБЕННОСТИ МАГНИТНО-ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ШЛИФОВАНИЯ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ
Докт. техн. наук, проф. СПИРИДОНОВ Н. В., асп. НЕРОДА М. В.
Белорусский национальный технический университет,
Барановичский государственный университет
Процесс газотермического нанесения по- ленными свойствами, в результате чего повы-
крытий на рабочие поверхности деталей машин шаются износостойкость, стойкость к кор-
позволяет создавать в зависимости от материа- розии, эрозии, кавитации и другие экс-
лов и технологии металлизации слои с опреде- плуатационные свойства деталей машин, но
