<<
>>

Исследование процесса спекания низколегированных порошковых сталей

Основными механизмами диффузии в твердых телах при спекании считаются вакансионный (связанный с перегруппировками атомов вблизи вакансий) и межузельный (связанный с перемещениями сравнительно мелких атомов по междоузлиям) [106-109].

Во всех случаях диффузии атомы должны преодолевать потенциальный барьер, происхождение которого связано с квантовыми силами отталкивания, сильно увеличивающимися при сближении атомов. Энергия необходимая для перескока, называется энергией активации.

Важнейшим свойством нанодисперсных частиц является высокая химическая активность их поверхности. Новая парадигма синтеза материалов с наночастицами нацелена на использование высокой активности поверхности наночастицы, чтобы модифицировать химический состав их поверхности и повлиять на свойства будущего консолидированного материала [110-113].

Например, для многих металлов и сплавов удельная энергия границ зерен приблизительно равна 1/3 удельной поверхностной энергии. То есть в

наноструктурных системах поверхностная энергия составляет заметную долю общей энергии. Так, для нанодисперстной системы со средним размером гранул 10 нм (10-8 нм) поверхностная энергия достигает почти 5-10 кДж/моль, что приближается к энтальпии плавления многих металлов [111­114].

Основной элемент структуры наноматериалов - зерно. Ансамбль зерен может иметь изотропную и анизотропную структуру. Кроме того, распределение зерен по размерам отражает технологические особенности получения наноматериалов и во многом определят их термическую стабильность [112-115].

Своеобразными элементами структуры являются поры. В соответствии с международной номенклатурой, принято различать микропористые (50нм) материалы. Размер пор зачастую зависит от размеров зерен, агломератов наночастиц, островков тонких пленок технологии получения материала. Поры существенно влияют на свойства материалов.

Остаточные поры в тройных стыках, на внутренних границах раздела, поры, оставшиеся в объеме зерен - признаки стохастической пористой структуры. Летучие вещества, такие, как полимеры или нестабильные газвыделяющие добавки, при отжиге оставляют регулярную и стохастическую пористую структуру [112-115].

Уникальность наноструктурных материалов заключается в том, что малому размеру элементов структуры соответствует большой объем вещества на поверхностях раздела, к которым относятся границы зерен, межфазные границы, тройные стыки и четвертые узлы. Если толщина границы зерен равна 1 нм, системы со средним размером зерен 5нм содержат около 49% атомов на границах. Существенным становится строение границ зерен и приграничной зоны, в которой параметр решетки отклоняются от стандартного значения, разориентации зерен и границ, дефектность границ и величина свободного объема.

В области межзеренной границы координационное число между ближайшими соседними атомами отличается от нормального [114-116].

Приведенные данные являются лишь грубой оценкой реального вклада границ зерен, но вклад поверхностей раздела и линий тройных стыков в особое поведение наноматериалов оценивается верно. Одним из факторов, определяющим нестабильность и неравновесность наноматериалов является повышение доли дефектных участков решетки при уменьшении рамеров зерен [110-116].

Особенности диффузионного массопереноса в наноструктурных поликристаллах обусловлены большим объемом вещества, расположенного по границам зерен и в тройных стыках, в местах с дефектной кристаллической решеткой. Следовательно, доля атомов, перемещающихся по таким местам в наноструктурных материалах, существенно больше, чем в материалах с традиционной структурой. Увеличение суммарного потока атомов через единицу площади с уменьшением размеров зерен определяется возросшим объемом внутренних границ раздела, тогда как коэффициенты диффузии в объеме по границам зерен и поверхности нанокристалов не отличаются от традиционных значений.

Энергия активации зернографичной диффузии в 2- 2,5 раза меньше объемного значения [111-116].

Была изучена зависимость введения наноразмерных порошков никеля и оксида никеля на уплотняемость и остаточную пористость сталей СП80Н4Д2М и СП50ХНМ (рисунки 3.15 и 3.16). Из зависимости остаточной пористости от содержания наноразмерных добавок видно, что наименьшая остаточная пористость 0,1% при введении наноразмерного никеля и 0,5% при введении наноразмерного оксида никеля в сталь СП80Н4Д2М и 6,6% при введении наноразмерного никеля и 7,6% при введении наноразмерного оксида никеля в сталь СП50ХНМ, достигается при давлении формования 900МПа и содержании наноразмерной добавки в количестве 1мас.%. При содержании наноразмерных добавок 1 мас.% как никеля, так и оксида никеля наблюдается наименьшая пористость. При содержании 0,5 мас.% остаточная

пористость составляет 2% и 2,5% для стали СП80Н4Д2М и 8,5% и 9% для стали СП50ХНМ. Это может быть объяснено тем, что нанопорошков введено не большое количество и как добавка снижающая силы межчастичного трения ее количества еще не достаточно. При введении наноразмерных добавок в количестве 2 мас.% остаточная пористость достигает 0,8% и 1% для стали СП80Н4Д2М и 8% и 8,6% для стали СП50ХНМ. Это можно объяснить тем, что нанопорошки вносят в заготовку адсорбированные газы и пористость из-за этого возрастает по сравнению с 1 мас.%.

Рисунок 3.15 - Зависимость остаточной пористости от содержания

наноразмерных добавок Ni и NiO в порошковых низколегированных сталях а) в стали СП80Н4Д2М; б) в стали СП50ХНМ

а)

Давление прессования, МПа

б)

Рисунок 3.16 - Зависимость остаточной пористости после спекания от давления прессования в порошковых низколегированных сталях при введении 1 мас.

% наноразмерных порошков Ni и NiO

а) в сталь СП50ХНМ, б) в сталь СП80Н4Д2М

Были проведены исследования зависимости объемной усадки от содержания наноразмерных добавок и давления формования. При изучении влияния содержания наноразмерных добавок на объемную усадку (рисунок 3.17) максимальная усадка достигается при содержании наноразмерных добавок 1масс.%. Усадка при содержании наноразмерного никеля составляла 8% и при содержании оксида никеля - 6%. Это можно объяснить тем, что при данном количестве наноразмерной добавки на поверхности раздела между частицами металлов находятся наночастицы с большим количеством дефектов, которые являются движущей силой для потоков переноса массы в дисперсных системах, что интенсифицирует процесс массопереноса и увеличивает объемную усадку материала.

При содержании нанодабавок в количестве 0,5 мас.% концентрация на поверхности частиц металла незначительна, поэтому они как источники интенсивного массопереноса вследствие своей дефектности незначительно играет свою роль, поэтому усадка в данных заготовках незначительна в порядках 3-4%.

При введении наноразмерных частиц 2 мас.%, частицы носят также адсорбированный газ, который вносит в материал заготовок дополнительную пористость. Также большее количество нанодисперсных добавок дает структурную нестабильность в исходном материале, что также снижает интенсивность диффузионных процессов протекающих при спекании. Поэтому объемная усадка у этих материалов не более 6%.

Из полученных экспериментальных зависимостей видно, что во всех случаях наибольшая усадка наблюдается у образцов с нанодобавкой Ni и NiO 1 мас.% .

а)

б)

Рисунок 3.17 - Зависимость объемной усадки от содержания

наноразмерных добавок Ni и NiO в порошковых низколегированных сталях а) СП80Н4Д2М; б)СП50ХНМ

При исследовании влияния давления формования на объемную усадку порошковой формовки содержащей нанодисперсные добавки (рисунок 3.18) видно, что при давлениях 200МПа, 400МПа, и 600МПа усадка идет более интенсивно и может достигать 4% ,что свидетельствует об интенсивном залечивании пор, протекании диффузионных процессов и массопереносе.

При давлении 900 МПа у заготовок пористость не значительная - порядка 6%, объемная усадка - 3%, что можно объяснить высокой плотностью исходной заготовки.

а)

б)

Рисунок 3.18 - Зависимость объемной усадки от давления формования

в порошковых низколегированных сталях а) для стали СП80Н4Д2М; б) для стали СП50ХНМ

3.4.

<< | >>
Источник: Тер-Ваганянц Юлия Суреновна. Влияние режимов термической обработки на структуру и свойства порошковых низколегированных сталей, модифицированных наноразмерными порошками Ni и NiO. Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук. Москва - 2019. 2019

Еще по теме Исследование процесса спекания низколегированных порошковых сталей:

  1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ СМЕСЕЙ, ПРЕССОВАНИЯ И СПЕКАНИЯ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ПОРОШКОВЫХ СТАЛЕЙ С НАНОЧАСТИЦАМИ Ni и NiO
  2. Исследование процесса смешивания шихты для низколегированных порошковых сталей
  3. Исследование процесса прессования шихты низколегированных порошковых сталей
  4. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПОРОШКОВЫХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ С НАНОРАЗМЕРНЫМИ ЧАСТИЦАМИ Ni и NiO
  5. Исследование микроструктуры и изломов закаленных низколегированных порошковых сталей
  6. Исследование структуры образцов в порошковых низколегированных сталях с нанодобавками никеля и оксида никеля после спекания
  7. Исследование влияния режимов закалки на структуру и свойства порошковых низколегированных сталей с наноразмерными добавками Ni и NiO
  8. Особенности спекания порошковых сталей с наноразмерными добавками
  9. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ПОРОШКОВЫХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ С НАНОРАЗМЕРНЫМИ ДОБАВКАМИ Ni и NiO
  10. Определение пластичности низколегированных порошковых сталей с нанодисперсными добавками
  11. Результаты рентгенофазового анализа закаленных образцов порошковых низколегированных сталей
  12. Изучение структуры порошковых низколегированных сталей с наноразмерными добавками Ni и NiO после термической обработки
  13. Определение оптимальных режимов закалки порошковых низколегированных сталей с наноразмерными добавками Ni и NiO
  14. Определение оптимальных режимов отпуска порошковых низколегированных сталей с наноразмерными добавками Ni и NiO
  15. 5.4.2. Исследование микроструктуры и изломов образцов низколегированных сталей после ТЦО
  16. Определение прочности при изгибе и при растяжении низколегированных порошковых сталей с нанодобавками
  17. Способы спекания порошковых материалов
  18. Исследование влияния режимов термоциклической обработки на структуру и свойства низколегированных сталей с наноразмерными добавками Ni и NiO
  19. Тер-Ваганянц Юлия Суреновна. Влияние режимов термической обработки на структуру и свойства порошковых низколегированных сталей, модифицированных наноразмерными порошками Ni и NiO. Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук. Москва - 2019, 2019