Введение к работе
Актуальность темы. Для получения высокопористых материалов (ВПМ) электродов химических источников тока (ХИТ) применяются технологии литья, нанесения суспензии на фольгу и порошковой металлургии Использование технологии порошковой металлургии обеспечивает формирование функциональных ВПМ с "бипористой" структурой.
В качестве исходных материалов при получении водородных электродов ХИТ наибольшее распространение получили порошки Ni, имеющие повышенную коррозионную сгойкость. Введение порошка Fe в состав шихты снижает затраты на исходный материал при сохранении эксплуатационных свойств ВПМ. Механическая активация (МА) порошковых шихт, использование жидких сред и парообразователя NaCl влияют на закономерности ушготаения при формовании и спекании, а также формирования структуры и свойств ВПМ.
Работа выполнена на кафедре "Материаловедение и технология материалов" Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) согласно темы 1.8.05 "Разработка теоретических основ формирования перспективных функциональных материалов Фундаментальное исследование" в соответствии с единым заказ-нарядом по заданию Федерального агентства по образованию на 2005 - 2009 г.г.
Цель и задачи исследования. Целью работы является установление закономерностей формирования структуры и разработка технологии получения высокопористых порошковых материалов Ni-Fe на основе механически активированных в жидких средах шихт.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи установить влияние времени обработки шихт в высокоэнергетических планетарных мельницах и состава размольной среды на процессы диспергирования - агломерации, изучить особенности формования и спекания механически активированных порошковых шихт; исследовать закономерности формирования структуры и свойств высокопористых порошковых материалов на основе механически активированных шихт, оптимизировать технологические параметры, обеспечивающие получение порошковых материалов с повышенной пористостью; разработать опытно-промышленную технологию изготовления высокопористых заготовок электродов химических источников тока
Научная новизна. 1. Впервые для механической активации в жидких средах (МАЖ) установлены зависимости и построены 3D Splme модели влияния времени МАЖ при различном содержании порошков Ni, Fe и NaCl на средний размер частиц и процессы диспергирования - агломерации Для оценки процессов МАЖ предложен критерий: критическое время МАЖ хмажч>=1,5 кс, обеспечивающее переход от диспергирования к агломерации (Д-А) и от агломерации к диспергированию (А-Д).
2 Получены модели в виде полинома 3-й степени влияния времени МАЖ на значения параметров уравнения уплотнения (2) давления холодного прессования, обеспечивающего получение беспористой формовки (ртах, МПа); доли
пластически смещенного объема (to); расчетной относительной плотности формовки в насыпном состоянии (8„).
3. Впервые, в отличие от ранее проведенных исследований, установивших
связь между процессами диспергирования и агломерации с закономерностями
уплотнения при формовании, установлено, что при холодном прессовании по
рошковой шихты, полученной при Тмажч'=1,5 кс, обеспечивающим переход Д-А
для шихт Ni-NaCl, наблюдаются повышенные значения <в=0,139, а при спекании
пониженные значения степени дефектности структуры порошковых частиц оце
ниваемой величиной микродеформации (Ad/d==l,
дисперсности (D=48 нм) структуры материала. Выявленные закономерности
можно объяснить переходом от режима механической активации в жидких сре
дах к механической активации при -сМаж'ф=1»5 кс, активацией процессов
пластической деформации при холодном прессовании, характеризующейся по
ниженными значениями Ршах~2100 МПа, а также использованием порошковых
шихт с повышенной дисперсностью частиц после МАЖ (do=228 мкм)
4. При использовании агломератов (aV=237 мкм), полученных при
тмажч'=1>5 кс, обеспечивающим переход А-Д для шихт Ni-Fe-NaCl, наблюдают
ся пониженные значения <в=0,119 и степени уплотнения при спекании ВПМ, оце
ниваемой коэффициентом Ки*0^),0^ равным отношению объемов пор метал
лического каркаса спеченной и холоднопрессованной заготовки, а также повы
шенные значения пористости (Псп=64%) спеченного ВПМ. На основе прове
денного элекгронно-зондового микроанализа материала холоднопрессованной
заготовки подтверждена гипотеза о формировании агломератов при
1маж>ф=1,5 кс шихт Ni-Fe-NaCl, состоящих из композиционных частиц на осно
ве Ni и Fe, не содержащих NaCl.
Практическая ценность. На основе проведенной многокритериальной оптимизации определены значения времени МАЖ, содержания в шихте порошков Fe и NaCl, обеспечивающие формирование ВПМ с пористостью П=57...68%. При критическом времени МАЖ тМАжч>=1^і кс шихты Ni-Fe-NaCl, обеспечивающем переход А-Д, достигается получение ВПМ с пористостью П=64% при минимальном времени МАЖ. Разработана технология получения ВПМ, включающая МА в шаровой планетарной мельнице "САНД-1" порошков Ni, Fe, NaCl и поливинилового спирта (ЛВС) в среде 95%-ого водного раствора этилового спирта, формование, отжиг в среде диссоциированного аммиака, отмывку порообразователя NaCl с последующей сушкой и спекание в среде диссоциированного аммиака. '
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях ЮРГТУ (НПИ) (2004 - 2007 г.), Всероссийском смотре-конкурсе "Научно-технического творчества студентов высших учебных заведений" "Эврика" в ЮРГТУ (НПИ) (2005 - 2006 г.)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, одна депонированная научная работа (монография), подана заявка на изобретение.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав с общими выводами, изложена на 188 страницах машинописного текста, содержащих 45 ри-
сунков, 16 таблиц, список литературы из 251 наименования и приложения на 34 страницах.
Автор выражает благодарность заслуженному деятелю науки и техники РСФСР д.т н , профессору Ю.Г Дорофееву за обсуждения полученных результатов и помощь при работе над диссертацией.
