Введение к работе
Актуальность работы. Важной задачей, стоящей перед современ-ой наукой и, в частности, химией твердого тела является разработка пособов получения новых материалов и исследование их свойств.Одним з перспективных направлений, с этой точки зрения, является механо-имический синтез в металлических системах, известный в литературе ак механическое сплавление ( mechnica/ оиоунп* ). Зарождение даного метода связывают с работами Бенджамина, начатыми в 1970 г. Ему цалось впервые получить путем современной обработки порошков метал-ов и оксидов дисперсионно упрочненные сплавы -псупералои", с весьма алыми размерами частиц дисперсионных упрочнителей - оксидов, равно-ерно распределенных в металлической матрице.
В дальнейшем методом механического сплавления были получены ервичные твердые растворы с концентраЗцией, намного превышающей редельную растворимость в твердой фазе; разнообразные промежуточ-ые соединения: интерметаллиды стабильные и метастабильные; квази-ристаллические соединения; аморфные сплавы; соединения с уникально асокой каталитической и химической-активностью. Все это привлекает данному способу получения материалов большое внимание.
Однако широкое разнообразие происходящих при механическом плавлении процессов и отсутствие единой теории, объясняющей эти роцессы и предсказывающей возможность получения продуктов с задан-ыми свойствами, противоречивость имеющихся в литературе сведений о ехсплавлении, затрудняют дальнейший прогресс в области его практи-еского применения.
Механизм фазообразования при механическом сплавлении делится ак бы на два этапа: это - совместная деформация элементов, визваная высокоэнергетическими воздействием мелющих тел, с образованием лоистого композита с большой поверхностью контакта между компонен-ами и непосредственно.процесс образования твердого раствора, амор-ной, интерметаллической или квазикристалличёской фазы. Мнения ис-педователей относительно первого этапа механического сплавления ожно признать достаточно сходными. Относительно процессов, идущих а втором этапе мехсплавления,существует достаточно много гипотез, го говорит о том, что этот процесс до конца не изучен. Поэтому вы-гнение природы процессов фазообразования при мехсплавлении являет-
ся актуальной задачей и имеет не только теоретический интерес, но позволит более продуктивно решать чисто практические задачи.
Цель и задачи работы. Целью данной работы является экспериме тальное исследование процессов фазообразования при механическом сплавлении металлов на шаровой планетарно-центробекной мельнице, и ходя из предположения о возможном локальном контактном плавлении с последующей закалкой расплавленных зон.
Для достижения данной цели решались следующие задачи:
разработать методику экспериментального измерения распредел ния температур в барабане при работе на шаровой планетарно-центро-бежной мельнице;
получить экспериментальное подтверждение возможности локаль ного плавления при механическом синтезе в металлических .системах в шаровой мельнице и установить основные закономерности, влияющие на данное явление;
проверить возможность смешения исходных компонентов при мех ническом сплавлении на атомарном уровне (с образованием пересыщенных твердых растворов, аморфных или других метастабильных фаз) для систем, в которых такое перемешивание по механизму твердофазной диффузионной реакции запрещено термодинамически;
исследовать влияние температурных режимов на механизм и дин мику механического сплавления в системах медь-серебро, медь-железо ко.6 альт-цирконий.
Научная новизна и практическая ценность. Исходя из факта воз можности локального контактного плавления с последующей закалкой расплавленных зон была предложена следующая модель фазообразования В процессе механического сплавления под действием мелющих тел (уда ра и прокатки) исходные компоненты образуют слоистые композиты. За тем, в процессе деформации таких композитов, происходит скольжение слоев по границам раздела фаз. В результате процессов трения, имею щих место при скольжении слоев друг по другу, вьщеляется тепло, пр водящее к контактному плавлению компонентов и образованию расплавл ных зон, остывающих затем с высокими скоростями.
Показано, что для исследованных систем зависимость свойств пр дуктов механического сплавления от условий его проведения (диаметр мелющих шаров, их температуры и скорости) согласуется с механизмом
перемешивания исходных компонентов за счет локального контактного иавления и последующей закалки, и не согласуется с альтернативны-и механизмами перемешивания - за счет твердофазной диффузионной іеакции или пластического течения. Установлены основные причины,от :оторых зависят условия фаэообразовакия. Показано, что одной из ос-ювных причин, влияющих На результаты процессов механического сплав-:ения, является бысокая'температура мелющих шаров. Проведено систе-іатическое.исследование причин» влияющих на температуру шаров. -Впер-» іьіе экспериментально установлена зависимость температуры шаров от іяда параметров процесса и показано, что она может превышать темпе-іатуру стенок барабанов более, чей на 500С. Теплообмен между шара-и и стенкой внутри барабана осуществляется главным образом через >аз в режиме вынужденной конвекции. При этом существеннда становит-я какой газ и при каком давлении находится в барабанах.
Для проведения экспериментов, позволяющих установить зависимо-ть температуры шаров от давления и вида газа, была разработана и зготовлена аппаратура, позволяющая вакуумировать барабаны и заподіять их любым Газом, до необходимого в данных экспериментах давления, змерения показали, что при увеличений давления газа температура ша->ов быстро понижается.
Полученные результаты дают возможность осуществлять регулирова-ие температурных режимов в процессе механического сплавления так же одбором газовой атмосферы и тем самым управлять процессом фазообра-ования. Лолученные результаты позволяют давать рекомендации, свя-анные с выбором аппаратов и разработкой технологий механического плавления.
На защиту выносятся:
- результаты исследования механического сплавления на шаровых ланетарных мельницах, в которых показано, что:
1. При механическом сплавлении реализуются процессы образования
ересыщенньос твердых растворов (в системах медь-серебро, медь-желе-
о), аморфных сплавов и интерметаллидов (в системе кобальт-цирконий),
так же происхожит диспропорционирование соединения ZrnCo на ZrCo &* 3С0, aZrCo на Zrfio и /гСо2
2. В системах с невысокой температурой контактного плавления
азообразование может реализовываться за счет локального контактного
плавления на поверхностях раздела между исходными компонентами в момент удара мелющего тела и последующей закалки жидкого состояния.
-
Степень кристалличности продуктов механического сплавления (в рамках применимости предложенного механизма) определяется скоростью закалки из жидкого состояния, возникающего в момент удара, которая в свою очередь зависит от скорости мелющего тела, времени соударения (размера мелющего тела) и средней (фоновой) температуры обрабатываемых материалов.
-
При механической обработке в шаровых планетарных мельницах температура мелющих тел может существенно (более,чем на 500 К) отличаться от температуры стенок барабанов. Так как часть материалов в ходе обработки образует футерующий мелющие тела слой, температура мелющих тел существенно сказывается как на процессе механического сплавления, так и на свойствах получаемых продуктов.
-
Теплопередача между шарами и стенкой барабана осуществляется в режиме вынужденной конвекции. Температурой шаров, а следовательно, процессом механического синтеза и свойствами продукта можно управлять путем изменения теплопроводности газовой среды в барабана
Вклад автора. Автором разработана и изготовлена установка для откачивания и заполнения газами барабанов. Проведены все эксперимен ты, а так же выполнена обработка и интерпретация полученных результатов.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Ц Сим поіиуме по химии твердого тела, Чехословакия, 1989 г; на XI Всесоюз ном симпозиуме по механохимии и механоэмиссии твердых тел, Чернигов 1990 г.; на Всесоюзной конференции „Химия метастабильных состояний" Новосибирск, 1991 г.; Всесоюзной научно-технической конференции пМеханохимический синтез'*', Владивосток, 1991 г.; Международный симпозиум по механическому сплавлению, Япония, Киото, 1991 г.
Публикации. Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 8 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения пяти глав, заключения, выводов и списка литературы. Материал работы изложен на 130 страницах, содержит 29 рисунков, 3 таблицы. Библиографический список содержит 128 наименований.
