Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время актуальной является разработка сплавов, характеризующихся высокой твердостью и износостойкостью, для изготовления различных конструкционных деталей или покрытий, работающих в условиях повышенных механических нагрузок. Перспективными материалами являются металлические сплавы, упрочненные карбидами тугоплавких металлов. Среди таких материалов широко распространены карбидостали (КС) - композиционные материалы, образованные объемным сочетанием химически разнородных компонентов (легированных сталей и карбидов, чаще всего карбида титана, с массовой долей от 30 до 70 %) с четкой границей раздела между ними.
Существующие на сегодняшний день методы получения КС имеют ряд недостатков. Это сложность технологических процессов, их многостадийность; использование дополнительно вводимых веществ, таких как связки, клеи; сложность получения беспористых образцов с мелкозернистой структурой; неполная смачиваемость частиц карбидов стальной связкой; плохая текучесть расплавов с высоким содержанием карбидов, возможность появления дополнительных фаз, негативно влияющих на свойства синтезируемых композитов; и т.д.
Применение метода механохимического синтеза (МХС) для получения таких композиционных материалов имеет значительные преимущества по сравнению с другими методами. Это простой и эффективный метод получения композитов на основе металл-керамика в наноструктурном состоянии, чего невозможно добиться традиционными металлургическими методами после спекания при температурах 1200-1500 С. Основой МХС является механическая обработка твёрдых смесей, в результате которой происходят измельчение и пластическая деформация веществ, ускоряется массоперенос и осуществляется перемешивание компонентов смеси на атомарном уровне, активируется химическое взаимодействие твёрдых реагентов [1]. Наряду с простотой подготовки исходных компонентов и проведения МХС, сравнительно небольших энергозатратах, полученный продукт представляет собой высокодисперсную фазу, что может быть удобно для последующих технологических операций. Путем МХС, при соответствующем подборе металлического материала для матрицы и керамического для ее упрочнения, соотношения их объемов, времени обработки, метода компактирования и режимов спекания, можно получать нанокомпозиты с требуемым набором свойств. Использование органических сред (ОС) в качестве источника углерода является перспективным для МХС композитных материалов и позволяет получать нанодисперсные, равномерно распределенные по объему образца карбидные фазы, что положительно сказывается на свойствах объемных нанокомпозитов. При этом отсутствуют систематические исследования механохимических превращений, имеющих место при МХС систем Fe-Ti-C, Fe-V-C, Fe-Nb-C, которые учитывали бы влияние вида исходных материалов на формирование структурно-фазового состава и свойства конечного механосинтезированного продукта.
4 Цель работы:
Исследование закономерностей формирования структуры и фазового состава нанокомпозитов Fe-MC (М = Ті, V, Nb) при механохимическом синтезе с использованием жидких органических сред и сравнение с процессами, происходящими при сухом измельчении.
В соответствии с поставленной в работе целью решались следующие задачи:
— Синтез композиционных порошков Fe30-MC70 и Fe70-MC30 (М = Ті,
V, Nb) из различных исходных компонентов:
—порошков железа и карбидообразующего металла М в жидких органических средах;
—порошков железа и карбидообразующего металла М с графитом; —порошков железа и карбидов МС.
Исследование структурно-фазовых превращений в процессах механохимического синтеза, последующего компактирования и отжигов.
Установление влияния вида карбидообразующего элемента, его концентрации и времени измельчения на особенности структурно-фазового состояния механосинтезированных нанокомпозитов.
Установление влияния вида исходных компонентов на микротвердость объемных нанокомпозитов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Впервые проведено исследование влияния вида исходных компонентов на закономерности формирования структурно-фазового состава композиционных материалов Fe-MC (М = Ті, V, Nb), полученных путем механохимического синтеза.
-
Показано, что механохимический синтез нанокомпозитов Fe70-MC30 (М = Ті, V, Nb) с использованием жидких органических сред приводит к самому быстрому формированию однородной нанокристаллической структуры с равномерно распределенными по объему частиц включениями наноразмерных карбидных фаз, отсутствием крупных карбидных включений и поэтому оптимален по сравнению с сухим измельчением.
-
Установлено влияние вида карбидообразующего металла на структурно-фазовый состав механосинтезированных порошков. Показано, что количество образовавшихся карбидов МС (М = Ті, V, Nb) увеличивается в ряду V, Ті, Nb и определяется пределом растворимости этих элементов в a-Fe.
-
Установлено влияние вида исходных компонентов на микротвердость объемных нанокомпозитов. Показано, что в случае использования жидкой
органической среды в качестве источника углерода значения микротвердости нанокомпозитов Fe70-MC30 (М = Ті, V, Nb) выше по сравнению с образцами, полученными сухим измельчением.
Практическая значимость работы
Результаты, полученные в работе, могут быть взяты за основу для получения композиционных материалов, нанокристаллических аналогов карбидосталей с определенными структурой, фазовым составом и микротвердостью.
В качестве методов исследования структурно-фазового состава полученных
систем, строения поверхности, дисперсности и формы частиц использовались:
рентгеновский дифракционный анализ, мессбауэровская спектроскопия,
сканирующая электронная микроскопия в сочетании с
микрорентгеноспектральным анализом распределения основных легирующих элементов, атомно-силовая микроскопия, металлографические исследования, Оже-электронная спектроскопия.
Положения, выносимые на защиту:
-
Механохимический синтез нанокомпозитов Fe70-MC30 (M = Ti, V, Nb) из различных исходных компонентов приводит к формированию порошков с нанокристаллической структурой (размер зерна -5-11 нм) сложного фазового состава. Дисперсность фаз и их количество зависят от состава исходных компонентов.
-
Вид исходных компонентов определяет последовательность стадий процесса механосинтеза:
при механосинтезе смеси порошков Fe и МС (М = Ті, V, Nb) в аргоне происходит измельчение частиц исходного карбида, растворение части МС и формирование фазы Fe-M-C, из которой после отжига формируются включения РезС и вторичные карбиды МС.
при механосинтезе смеси порошков Fe и М (М = Ті, V, Nb) с графитом в аргоне происходит одновременное формирование карбидной фазы МС в частицах М и РезС в частицах Fe, а также фазы Fe-M-C, из которой после отжига формируются включения РезС и вторичные карбиды МС.
при механосинтезе смеси порошков Fe и М (М = Ті, V, Nb) в жидкой органической среде происходит образование сплава Fe-M с относительно равномерным распределением карбидообразующего элемента, деструкция среды, формирование фазы Fe-M-C, из которой после отжига формируются наноразмерные карбиды МС и РезС, равномерно распределенные по объему частиц.
3. Механохимический синтез нанокомпозитов Fe70-MC30 (M = Ti, V,
Nb) с использованием жидкой органической среды имеет ряд преимуществ по
сравнению с сухим измельчением: самое быстрое формирование однородной
нанокристаллической структуры с равномерно распределенными по объему
частиц включениями наноразмерных карбидных фаз, отсутствие крупных
карбидных включений и возможность получения двухфазного a-Fe+MC или трехфазного a-Fe+MC+РезС нанокомпозита, варьируя временем измельчения и условиями отжига.
4. Использование жидких углеводородных сред в качестве источника
углерода при синтезе материалов состава Fe70-MC30 (M = Ti, V, Nb) позволяет получать более высокие значения микротвердости объемных нанокомпозитов по сравнению с образцами, полученными методом сухого измельчения.
Личный вклад автора
Диссертация является самостоятельной работой, которая обобщает результаты, полученные лично автором, а также в соавторстве. Вклад автора состоит в проведении экспериментов и анализе полученных результатов. Цель и задачи диссертационной работы были сформулированы научным руководителем. Обсуждение экспериментальных результатов проводилось совместно с научным руководителем. Основные выводы сформулированы автором.
Благодарно сти
Автор благодарит И.В. Повстугара за предоставленные порошки, полученные методом сухого измельчения; В.А. Волкова за металлографические данные порошков и помощь в проведении рентгеновского дифракционного анализа; СВ. Заяц (ИЭФ УрО РАН) за компактирование порошков; О.Р. Тимошенкову за электронно-микроскопические изображения.
Степень достоверности и апробация результатов. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на 10 Международных и Российских конференциях и семинарах: VIII Всероссийской школе-конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых КоМУ-2010 (11-16 мая 2010, Ижевск); III Всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по направлению «Наноматериалы» (27 сентября-2 октября 2010, Рязань); XI Международной научно-технической уральской школе-семинаре молодых ученых - металловедов (8-12 ноября 2010, Екатеринбург); IX Всероссийской конференции "Физикохимия ультрадисперсных (нано -) систем" (22-26 ноября 2010, Ижевск); III Международной конференции «От наноструктур, наноматериалов и нанотехнологии к наноиндустрии» (6-8 апреля 2011, Ижевск); XII Международной конференции «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов» ДСМСМС-2011 (13-16 июня 2011, Екатеринбург); VII International conference on "Mechanochemistry and Mechanical Alloying" INCOME 2011 (August 31-September 3 2011, Herceg Novi, Montenegro); IX Всероссийской школе-конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых КоМУ-2011 (7-10 ноября 2011, Ижевск); 19th International Symposium on Metastable, Amorphous and Nanostractured Materials ISMANAM-2012 (June 18-22 2012, Moscow); X Всероссийской школе-конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых КоМУ-2013 (2-5 декабря 2013, Ижевск).
