Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Литературный обзор 10
1.1 Алмазный инструмент. Свойства алмазов 10
1.2 Связки для алмазного инструмента 13
1.3 Изготовление инструмента на металлической связке 15
1.4 Составы металлических связок 16
1.5 Резание хрупких материалов алмазным инструментом 19
1.6 Теория резания алмазным инструментом 21
1.7 Влияние физико-химических, механических и трибологических свойств связки на эффективность работы алмазного инструмента 29
1.8 Дисперсное упрочнение металлов 32
1.9 Смешивание порошков в смесительных устройствах различного типа 38
1.10 Постановка задачи 39
Глава 2 Методика эксперимента 40
2.1. Исследуемые материалы .40
2.2 Приготовление смесей 42
2.3 Измерение насыпной плотности 42
2.4 Приготовление образцов 42
2.4.1 Грануляция 43
2.4.2 Холодное прессование 43
2.4.3.Горячее прессование 43
2.5 Измерение плотности и пористости 45
2.6 Испытания на трехточечный изгиб 45
2.7 Испытания на ударную вязкость 46
2.8 Измерение твердости 46
2.9 Трибологические испытания 46
2.10 Металлографический анализ 48
2.11 Съемка рентгеновских спектров 48
2.12 Электронная микроскопия и Оже-спектроскопия 48
Глава 3 Исследование влияния наночастиц на свойства связки со extra fine 49
3.1 Определение оптимальных режимов смешивания связки и нанопорошков 49
3.2 Характер распределения наночастиц в спеченной связке 61
3.3 Исследование механических свойств спеченных образцов связок 63
3.4 Результаты трибологических испытаний 65
Глава 4 Исследование влияния наночастиц на свойства связки V21 69
4.1 Структура смесей после обработки в ПЦМ 69
4.2 Исследование влияния наночастиц на процессы холодного и горячего прессования связки V21 70
4.3 Исследование влияния наночастиц на микроструктуру сплавов 77
4.4 Механических свойства спеченных дисперсно-упрочненных образцов с
матрицей V21 78
4.5 Результаты трибологических исследований 79
Глава 5. Исследование влияния наночастиц на свойства связки ВІЗ 84
5.1 Определение оптимальных режимов смешивания порошка связки ВІЗ и нанопоршков 84
5.2 Исследование влияния наночастиц на процессы холодного и горячего прессования связки ВІЗ 89
5.3 Исследование механических свойств спеченных образцов связки ВІЗ 93
5.4 Результаты трибологического исследования дисперсно-упрочненной связки ВІЗ 94
Глава 6 Исследование влияния наночастиц на свойства связки V7-103 98
6.1 Влияние механической обработки в ПЦМ на фазовый состав спеченных дисперсно-упрочненных сегментов с матрицей V7-103 98
6.2 Исследование влияния наночастиц на процессы холодного и горячего прессования связки V7-103 105
6.3 Исследование механических свойств спеченных образцов связки V7-103 106
6.4 Результаты трибологического исследования 107
Глава 7 Оптимизация технологических параметров получения дисперсно-упрочненных сегментов 113
7.1 Влияние давления холодного прессования на механические свойства сегментов 113
7.2 Влияние температуры горячего прессования на механические свойства сегментов 114
7.3 Влияние продолжительности спекания на механические свойства сегментов 115
7.4 Влияние давления горячего прессования на механические свойства сегментов 115
Глава 8 Структура алмазосодержащих сегментов 118
8.1 Структура алмазосодержащих сегментов с дисперсно-упрочненной связкой Со extra fine 118
8.2 Структура алмазосодержащих перлин с дисперсно-упрочненной связкой V7-103 120
Глава 9. Испытания алмазного инструмента с дисперс-упрочненнои наночастицами связкой 126
9.1 Испытания алмазосодержащих сегментов с упрочненной связкой V21 для производства сверл 126
9.2 Испытания алмазосодержащих сегментов с упрочненной связкой ВІЗ для производства сверл 131
9.3 Испытания алмазосодержащих сегментов с упрочненной связкой Со extra fine для производства сверл 134
Результаты испытаний алмазных отрезных сегментных кругов с дисперсно-упрочненной связкой V 21 и ВІЗ 136
Выводы 138
Литература 140
Приложение
- Связки для алмазного инструмента
- Измерение плотности и пористости
- Характер распределения наночастиц в спеченной связке
- Исследование влияния наночастиц на процессы холодного и горячего прессования связки V21
Введение к работе
Актуальность работы. Эффективное развитие важнейших отраслей промышленности, таких как строительная индустрия и камнеобработка, предполагают широкое использование и совершенствование передовых технологий обработки резанием искусственного и натурального камня, железобетонных конструкций с применением алмазного инструмента для резки, сверления материалов широкого спектра свойств.
За последние 30 лет алмазный инструмент нашел широкое применение во всем мире, что связано как с большим объемом и сортаментом обрабатываемых твердых материалов, так и с возросшими требованиями к качеству и производительности резания. Современные строительные технологии предполагают массовое применение армированного бетона. При этом для строительства ответственных и сильно нагруженных сооружений (гидротехнические сооружения, взлетно-посадочные полосы аэродромов, тоннели и др.) применяются особо прочные бетоны с высокой степенью армирования. Задачи, связанные с реновацией и реконструкцией этих сооружений, а также изготовление в них технологических проемов требуют использования алмазного инструмента. При этом сочетание в железобетоне двух существенно различных по характеристикам материалов (бетон и сталь) предъявляют к алмазному инструменту повышенные требования к износостойкости при абразивном износе и режущей способности алмазов при взаимодействии со сталью арматуры.
Материал, служащий для удержания алмазов в алмазоносном слое, называется связкой. Свойства связки не в меньшей степени, чем качество алмазного сырья, определяют рабочие характеристики инструмента в целом. Практика сверления и резки твердых и высокоабразивных материалов (гранит, мрамор, асфальт, железобетон, огнеупорный кирпич и др.) показывает, что наиболее эффективно работает инструмент с металлическими связками, т.к. последние обладают максимальным алмазоудержанием и стойкостью к абразивному износу.
Перспективным способом улучшения физико-механических и трибологических свойств связок является создание сплавов с дисперсно-упрочненной наночастицами структурой. Традиционное упрочнение связок за счет введения твердых частиц (WC, А120з, BN и др.) микронного размера имеет ограничение по концентрации из-за необходимости повышения температуры спекания, что нежелательно вследствие частичного разупрочнения алмазов и дополнительного износа технологической оснастки. В этой связи в патентах РФ № 2286241, № 2286242, № 2286243 от 14.11.2005 г., международной заявке PCT/RU2006/000491 от 25.09.06, заявках на патент США No. 12/084923 от 13.05.2008 и Европатент No. 06812911.3 от 02.06.2008 (авторы Левашов Е.А., Курбаткина В.В., Андреев В.А.) было предложено использовать в качестве упрочняющих добавок нанодисперсные порошки для повышения механических свойств и улучшения трибологических свойств связки без существенного изменения режимов спекания. Тем
не менее, предложенный в патентах подход нуждается в дальнейшем исследовании и доработке технологии получения алмазных сегментов. В связи с вышеизложенным работа по созданию и практическому применению дисперсно-упрочненных наночастицами связок для алмазного режущего инструмента является актуальной.
Работа выполнялась в соответствии с тематическими планами университета на НИР и ОКР по следующим проектам:
Государственный контракт № 02.467.11.2003 от 30 сентября 2005 г. по теме: «Разработка технологий получения новых функциональных градиентных материалов, в том числе алмазосодержащих и дисперсно-упрочненных наночастицами, и освоение их производства». ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 годы
Государственный контракт № 02.513.11.3187 от 23 апреля 2007 г. по теме: «Разработка научных и технологических принципов создания наноструктурированных керамических и дисперсно-упрочненных наночастицами композиционных материалов для работы в экстремальных условиях эксплуатации».ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2012 годы»;
Государственный контракт № 08/3-590Н-08 от «02» декабря 2008 г. с Департаментом науки и промышленной политики и г. Москвы «Разработка и освоение технологии производства алмазного инструмента нового поколения для камнеобработки и резки огнеупоров»;
Государственный контракт № 02.513.11.3470 от «18» июня 2009 г. ««Разработка нового поколения наноструктурированных композиционных материалов для резания особо прочного и высоко армированного бетона с участием научных организаций Китая». ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы»
Цель работы. Разработка дисперсно-упрочненных наночастицами металлических связок на основе кобальта, железа, меди и никеля и технологии получения алмазосодержащих сегментов для режущего алмазного инструмента нового поколения, применяемого в строииндустрии и камнеобработке.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработать способ введения упрочняющих наноразмерных частиц в порошковые металлические связки, обеспечивающий равномерное распределение упрочняющей фазы по объему шихты;
выявить основные закономерности влияния добавок наночастиц на процессы уплотнения при холодном и горячем прессовании смесей связок с наночастицами;
установить взаимосвязь состава и концентрации вводимой упрочняющей нанофазы с механическими и трибологическими свойствами горячепрессованных металлических связок. На основании полученных данных определить оптимальное содержание упрочняющих наночастиц;
провести оптимизацию технологических режимов формования и спекания дисперсно-упрочненных наночастицами связок Со extra fine, V21, ВІЗ, V7 - 103
- провести сравнительные испытания алмазных отрезных сегментных кругов и сверл с дисперсно-
упрочненными связками и определить их удельный ресурс, скорость резания;
На защиту выносятся следующие положения:
способ введения упрочняющих наночастиц в металлические связки Со extra fine, V21, ВІЗ, V7 - 103, используемые в производстве алмазных сегментов;
установленные закономерности влияния природы и содержания наночастиц в связке на процессы уплотнения при холодном и горячем прессовании металлических связок;
технология получения алмазных сегментов с дисперсно-упрочненной наночастицами связкой, предназначенных для изготовления отрезных кругов и сверл для стройиндустрии, камнеобработки, а также резки огнеупоров;
результаты механических и трибологических испытаний дисперсно-упрочненных наночастицами связок, а также результаты испытаний алмазных отрезных сегментных кругов и сверл.
Методы исследования. Работа выполнена с применением современных методов исследования структуры материалов: рентгенофлюоресцентной спектроскопии, рентгеноструктурного анализа, Оже-электронной спектроскопии, оптической, сканирующей (СЭМ) и просвечивающей (ПЭМ) электронной микроскопии. Физические, механические и трибологические свойства порошков и компактных изделий определялись с помощью стандартных методик измерения насыпной плотности порошков, пикнометрическои плотности, ударной вязкости, твердости, предела прочности на изгиб, коэффициента трения и приведенного износа.
Научная новизна.
1, Установлены закономерности влияния природы и содержания наночастиц в связках на
основе кобальта, железа, меди и никеля на процесс холодного прессования смесей
порошков. Показано, что предварительная обработка смесей в центробежной планетарной
мельнице (ПЦМ) приводит к улучшению прессуемости, при этом с увеличением
содержания наночастиц в шихте прессуемость смесей ухудшается
2. Установлено, что введение наночастиц реакционно-активного по отношению к связке
соединения (карбида вольфрама) приводит к росту прочности алмазоудержания при
спекании за счет изменения химического потенциала на межфазной границе алмаз-связка, а
также за счет возникновения эффекта объемного дисперсного упрочнения металлической связки, что приводит к улучшению ее механических и трибологических свойств. 3. На основании экспериментальных данных установлена зависимость плотности связки при твердофазном спекании от реакционной способности упрочняющих наночастиц, проявляющаяся в росте ее плотности в случае использования наночастиц карбида вольфрама (кажущаяся энергия активация спекания снижается), а при введении в связку инертного нанопорошка диоксида циркония плотность связки снижается из-за блокирования наночастицами границ раздела спекающихся зерен связки (кажущаяся энергия активация спекания увеличивается). Практическая значимость работы.
Разработан способ введения в связки алмазного инструмента упрочняющих наноразмерных частиц. На способ зарегистрировано ноу-хау № 113-164-2005 ОИС от 11 ноября 2005 г. в депозитарии МИСиС.
Разработана технологическая инструкция ТИ 01-93490283-2009 на производство алмазных сегментов с дисперсно-упрочненной наночастицами связкой, предназначенных для изготовления отрезных кругов и сверл для стройиндустрии, камнеобработки, а также резки огнеупоров. Изготовлены опытные партии кругов и сверл с дисперсно-упрочненной наночастицами связкой.
В ЗАО «Кермет» (г. Москва) проведены сравнительные испытания разработанных алмазных отрезных сегментных кругов и сверл для резки/сверления армированного бетона. Установлено, что введение в состав связки наночастиц карбида вольфрама приводит к 2-4-х кратному росту ресурса алмазного сегмента без снижения скорости резания, что недостижимо при использовании упрочняющих частиц микронного размера.
На алмазные сегменты и перлины нового поколения с дисперсно-упрочненной связкой разработаны и зарегистрированы в ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ» ниже следующие технические условия:
ТУ 3971-001-93490283-2009 (Сегменты алмазные с дисперсно-упрочненной наночастицами связкой для алмазных отрезных сегментных кругов и алмазных сверл, используемых в процессах камнеобработки и резки упоров)
ТУ 3971-002-93490283-2009 (Перлины с дисперсно-упрочненной наночастицами связкой для алмазных канатных пил, используемых в процессах камнеобработки и резки огнеупоров)
ТУ 3971-002-59882018-2006 «Сегменты алмазные с дисперсно-упрочненной матрицей для алмазных отрезных сегментных кругов и алмазных сверл»
ТУ 3971-003-59882018-2006 «Перлины с дисперсно-упрочненной связкой для алмазных канатных пил»
5. Осуществлено внедрение новых типов металлических связок в серийное производство завода ЗАО «Кермет» (г. Москва) по выпуску алмазных отрезных сегментных дисков и сверл. Произведено более 12 000 алмазных сегментов.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на следующих выставках и конференциях: 1-й Международной научной конференции НАНО 2008 (Белоруссия, Минск, 2008 г.); 10-го Международного симпозиума «Многофункциональные и функционально-градиентные материалы» (MM&FGM 2008, Япония, Сендай, 2008 г.); 5-й Международной научно-практической конференции «Нанотехнологии производству» (Москва, Фрязино, 2008 г.); 8-й Всероссийской конференции «Физикохимия ультрадисперсных (НАНО-) систем» (Россия, Белгород, 2008 г.); 3-й Международной конференции в области нанотехнологии «Viennano-2009» (Австрия, Вена, 2009 г.); 2-й Международной конференции «Объемные наноструктурные материалы» BNM 2009 (Россия, Уфа, 2009).
Публикации. По материалам диссертации имеется 12 публикаций, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах, 8 тезисов и докладов в сборниках трудов конференций, 1 ноу-хау.
Связки для алмазного инструмента
Связкой называется материал, служащий для закрепления зерен алмазного порошка в алмазоносном слое. Материал связки должен повышать стойкость, улучшать режущие свойства алмазного инструмента, что определяет физико-механические, теплофизические и другие свойства алмазоносного слоя. В качестве материалов связки используют керамические и металлические порошки, в том числе органические вещества. Связка наряду с концентрацией, маркой и зернистостью алмазного порошка, является одной из основных характеристик, определяющих работоспособность и эффективность алмазного инструмента. Поэтому к ней предъявляется целый ряд требований. Связка должна: а) обладать хорошей смачиваемостью по отношению к алмазу; б) прочно удерживать алмазные зерна; в) обеспечивать самозатачивание, т.е. по мере затупления алмазных зерен должна изнашиваться, способствуя выпадению затупившихся зерен и вскрытию режущих граней новых зерен; г) обладать достаточной термостойкостью и иметь хорошую теплопроводность; д) в паре с обрабатываемым материалом иметь минимальный коэффициент трения; е) иметь коэффициент линейного расширения, приближающийся к коэффициенту линейного расширения алмаза; ж) не вступать в химическое взаимодействие с обрабатываемым материалом и охлаждающей жидкостью. [11] Промышленностью изготавливается алмазно-абразивный инструмент на органических, металлических и керамических связках. В качестве связующих органических связок используются синтетические смолы и композиции на их основе. В такие связки отличаются между собой наличием наполнителя, который определяет механическую прочность алмазоносного слоя, сопротивляемость износу, теплостойкость и другие физико-механические свойства. В качестве наполнителя применяется карбид бора, железный порошок, белый электрокорунд и резиновая мука. Керамические связки производятся из порошка стекла [14], огнеупорных глин, предварительно обожженных и измельченных, и других керамических композиций. По удельному расходу алмазов керамические связки занимают промежуточное положение между органическими и металлическими, однако, в определенных условиях могут давать лучшие экономические показатели.
В инструменте на керамических связках в основном используются синтетические алмазы марки АСР. Инструмент на органических связках применяется с охлаждением и без охлаждения; инструмент на металлических и керамических связках, как правило, с охлаждением Металлические связки эффективнее удерживают алмазные зерна в связке по сравнению с органическими и керамическими. Для изготовления инструмента на металлических связках применяет более прочные синтетические алмазы марок АСР, АСВ и АСК, а также порошки из природных алмазов. В качестве связки используются различные композиции на основе меди, олова, алюминия, железа, никеля и других материалов. Состав связки выбирают с учетом требований технологии (температура спекания инструмента должна быть ниже температуры графитизации алмазов). Инструмент на металлических связках используется в основном для обработки высокопрочных, обладающих абразивной способностью материалов, когда в процессе обработки на алмазные зерна действуют повышенные нагрузки. Связка оказывает влияние на конструкцию инструмента. Так, в зависимости от связки выбирается материал корпуса, метод соединения алмазоносного слоя с корпусом. Физико- механические свойства связок предопределяют возможную для получения форму и размеры алмазно-абразивного инструмента. Например, ввиду хрупкости, существующие керамические связки не могут быть применены для изготовления, отрезных кругов. Как показывает практика, неправильный выбор марки, концентрации алмаза или связки может привести к двукратному и даже пятикратному увеличению удельного расхода [11-12] . Алмазные порошки различной зернистости можно закреплять в металлической связке зачеканкои илишаржированием зерен в металлический, изготовленный из пластичных материалов корпус, применяют также методы-порошковой металлургии и электрохимического осаждения. Промышленное значение имеют два последних метода. Однако в большей степени преобладает промышленное производство инструменте методами порошковой металлургии. Согласно технологии порошковой металлургии смесь металлических порошков» алмазов, и других компонентов» подвергают уплотнению и последующей термической обработке (спеканию) при температуре ниже температуры плавления хотя бы одного из компонентов. В результате процессов диффузии и образовании растворов спрессованное тело после термической обработки приобретает высокую прочность, тепло- и электропроводность и другие физико-механические свойства. Использование в качестве исходных материалов порошков!позволяет формовать в пресс-форме заготовки алмазного инструмента точные по форме, что сводит к минимуму объем их механической обработки [12]. Температура нагрева инструмента при спекании должна быть значительно ниже температуры плавления материала, металлической связки, из которого изготовлен порошок. Кроме того, отсутствуют многие ограничения, связанные с выбором компонентов сплавов. В отличие от литья методы, порошковой металлургии позволяют создавать композиции, включающие не сплавляемые друг с другом материалы, что и используется при закреплении алмазных частиц в металлической связке.
Измерение плотности и пористости
Оценку износостойкости проводили на автоматизированной машине трения «TRIBOMETER» фирмы «CSM Instruments», Швейцария. Комплексное трибологическое исследование [47-49] включает непрерывную запись коэффициента трения при испытании по схеме «неподвижный шарик - вращающийся диск», а также фрактографическое исследование бороздки износа (включая измерение профиля бороздки) и пятна износа на контртеле. Схема трибологического испытания представлена на рисунке 17. Условия испытания на установке: 1) контртело - шарик АЬОз диаметром 3 мм; 2) нормальная нагрузка - 2Н; 3) линейная скорость вращения - 10 м/с; 4) среда - воздух; 5) диаметр дорожки -6,1 мм; 7) пробег L = 122- 500 м. Фрактографическое исследование бороздки износа (трека) образца проводили на профилометре S8P фирмы «Mahr». Трехмерные фотографии треков получены на оптическом профилометре фирмы Veeco Wyko NT1100. Количественную оценку скорости износа образца и контртела проводят следующим образом. Износ шарика рассчитывают по формуле: d - диаметр пятна износа, г-раднус шарика, h -высота сегмента. Износ образца рассчитывают по формуле: S - средняя площадь сечения бороздки износа (трека), 1 - длина окружности, R - радиус трека. Полученные данные об объеме изношенного материала позволяют рассчитать приведенную скорость износа образца и контртела, независимо от пути пробега и нагрузки. Металлографические исследования проводились на оптическом микроскопе "Axiovert 25 СА (Zeiss)" и «Neophot-32» с системой анализа изображений «Видео тест». Шлифы готовились на полировальной машине фирмы «Struers» RotoPol-21 по стандартной методике описанной в [50]. Съемка рентгеновских спектров выполнялась на автоматизированном дифрактометре ДРОН-Зс использованием монохроматического Со-Ка излучения. Съемка велась в режиме шагового сканирования в интервале углов 20 - 135, шаг съемки составлял 0,1, экспозиция - 40 с. Полученные спектры обрабатывались с помощью специального пакета программ, разработанного в Московском Государственном Институте Стали и Сплавов [51]. Количественную оценку содержания фаз осуществляли методом отношения интенсивности аналитических фаз [52-53] Химический состав фаз и морфологию порошков определяли на ЭОС модели «PHI-680» (Auger nano prop.) фирмы «Phisical Electronics» Исследование тонкой структуры упрочненных сплавов проводили на просвечивающем электронном микроскопе СМ 200 фирмы «Philips». Подготовка фольг для ПЭМ-исследований осуществлялась по стандартной методике на установке GATAN Model 691 (PIPS - устройство для прецизионного травления.)
Характер распределения наночастиц в спеченной связке
Из уравнения (28) следует, что, чем больше объемная доля упрочняющих частиц и чем эти частицы мельче, тем сильнее тормозящее влияние на подвижность межзеренных границ. Поскольку движение границы - это один из основных процессов спекания, то при увеличении содержания упрочняющих наночастиц плотность спечененных при тех же условиях образцов будет уменьшаться (см. рисунок 24 для 1,1 и 3,5 % ZrC 2)
Поскольку достоверно разрешить наночастицы методами сканирующей электронной микроскопии не представляется возможным были проведены ТЕМ-исследования фольг дисперсно-упрочненных наночастицами образцов, полученных методом горячего прессования. На рисунке 26 представлены фотографии исходной связки и дисперсно-упрочненного WC (нано) образца.
Приведенные фотографии подтверждают, что равномерное распределений наночастиц, достигнутое после смешения в ПЦМ сохранилось и после спекания. Важно отметить, что наночастицы наблюдались не только по границам зерен (рисунок 26 г), но и в теле зерна (рисунок 26 в).
Данные по механическим свойствам спечённых образцов связок приведены в таблице 7. Исходная связка (без введения наночастиц) имеет пористость 2,9 %. Введение нанопорошка ZrCb позволило снизить пористость сегмента, причём уменьшился не только общий объём пор, но и их размер (рисунок 27 б). Для других составов связок характерно существенное возрастание пористости (в 2 раза — для WC во всём исследуемом интервале концентраций и в 4-5 раз для остальных нанопорошков). Одной из причин значительной пористости основной массы образцов может быть недостаточная выдержка смеси на операции удаления связующего после грануляции или при спекании. Известно, что нанопорошки адсорбируют на своей поверхности большое количество окружающей атмосферы и влаги и поэтому требуют большего времени выдержки. С другой стороны возможно температура и давление в данном случае не являются оптимальными, так как для первых экспериментов были выбраны стандартные условия.
Это не могло не сказаться на механических свойствах полученных сегментов. Только твёрдость связок с Zr02 и низким содержанием WC, АІ2О3 оказалась выше кобальтовой связки без добавок. Более высокие значения предела прочности на изгиб также были получены на образцах связок с WC и высоким содержанием Zr02. Введение же нанопорошка NbC снизило о"зг почти на порядок. По ударной вязкости ближе хорошие результат всех к исходной связке оказался состав Со -1,13 % Zr02 - это объясняется чувствительностью ударной вязкости к пористости образца.
Одной из основных задач работы является повышение износостойкости связки путем введения дисперсно-упрочняющих наночастиц.
В таблице 8 приведены значения установившегося коэффициента трения ц на линейной участке кривой зависимости коэффициента трения от пробега (рисунок 28). Как видно из таблицы 3 износ образцов с добавками нанопорошков 3,3 % АЬОз и 6 % NbC на порядок выше, чем для остальных составов этой серии. Наименьший износ имеет образец состава Co+6%WC, его износ в 6 раз меньше, чем для чистого кобальта. Хорошую износостойкость показали образцы с добавками W и Z1O2.
Значения коэффициента трения лежат в интервале 0,45-0,89. При выбранной нагрузке и скорости вращения не происходило значительного нагрева образца, поэтому изнашивание второго рода не имело места. Возможные механизмы изнашивания (по классификации Б. И. Костецкого [62]), судя по величине коэффициента трения, это: изнашивание первого рода, фреттинг-процесс и абразивная повреждаемость.
Исследование влияния наночастиц на процессы холодного и горячего прессования связки V21
Из представленных на рисунке 33 данных можно заключить, что после обработки в ПЦМ шихта легче уплотняется (пористость формовок из обработанных в ПЦМ порошка меньше, чем у исходной шихты). Увеличение содержания наночастиц в шихте приводит к росту пористости спрессованных образцов, что объясняется наличием в зоне контакта частиц связки твердых и трудно деформируемых наночастиц, значительно увеличивающих межчастичное трение при пластическом течении под давлением. Кривые прессования образцов с наночастицами WC и АЬОз практически аналогичны приведенным на рисунке 33. С ростом содержания наночастиц увеличивается пористость прессовки. Отличия связаны лишь с разной плотностью наночастиц, и поэтому диаграммы прессования для смесей с другим типом упрочняющих добавок здесь не приводятся. Полученные методом холодного прессования брикеты спекались в течение 30 минут в угольной засыпке, что создавало восстановительную атмосферу СОг/СО, без приложения давления при различных температурах (рисунки 34 а-в). Температура спекания варьировалась в диапазоне 800-950С. Из представленных на рисунке 34 а-в экспериментальных данных можно сделать нижеследующие промежуточные выводы. Обработка в ПЦМ увеличивает скорость уплотнения при спекании исходного порошка связки (образец V21 исходная связка, V21 «0»-образец без упрочняющих наночастиц, но обработанный в ПЦМ), что объясняется увеличением диффузионной подвижности атомов за счет существенного роста доли межзёренных границ, линейных и точечных дефектов и запасенной энергии упругой и пластической деформации [63-67]. Наночастицы тугоплавких соединений, расположенные на границах зерен связки, оказывают заметное влияние на уплотнение смесей в процессе спекания. В интервале температур о 800-875 С при малых концентрациях наночастиц WC и ЪтОг процесс спекания становится более термически активированным. Энергия активации увеличивается в несколько раз, что, по видимому, объясняется блокированием наночастицами определенной доли поверхности раздела между частицами связки и дополнительным диффузионным барьером при спекании. Увеличение концентрации наночастиц ведет к их конгломерации, скоплению конгломератов в межчастичных поровых пространствах связки, что снижает поверхность контакта металлических частиц, оказывая тормозящее влияние на процесс уплотнения. Поэтому с ростом содержания наночастиц уменьшается плотность спеченного брикета. Следует отметить, что в отличие от ранее изученной системы WCHaHo - Со в данной системе WCHaH0 - связка V21 наночастицы карбида вольфрама приводят к росту остаточной пористости. Этот факт объясняется химическим потенциалом взаимодействия на границе раздела наночастица - связка, значение которого оказывает влияние на механизм и кинетику спекания. Двуокись циркония по сравнению с карбидом вольфрама является еще более инертным соединением (с низким химическим потенциалом взаимодействия) по отношению к основным элементам сплава V21 - железу и кобальту [58]. Поэтому добавки наночастиц ZrC 2, при тех же условиях спекания, приводят к еще более высокой остаточной пористости. Образцы с нитридом кремния (рисунок 34в) при температурах более 850С разуплотняются. Причина данного явления выясняется. В связи с выше изложенным, представляет интерес оценить - какую долю поверхности частиц связки могут занимать нанодобавки в зависимости от их размера и концентрации. Для этого рассмотрим простую модель беспористого образца массой т, в котором содержится (р2 (массовая доля) наночастиц. Для простоты предположим, что все частицы сплава имеют форму кубов с характерным размером ребра ai и плотностью рь Для наночастиц аналогичные параметры - аг и рг- Тогда общее число частиц N в образце и их суммарная площадь поверхности S может быть представлена в следующем виде(28)-(31): В результате вязкопластического течения материала при интенсивной обработке в ПЦМ часть наночастиц внедряется в тело частиц сплава, а на поверхности остается лишь некоторая доля наночастиц а 1. Тогда соотношение aS2/S] 100% показывает, насколько границы раздела между частицами связки заполнены наночастицами: Проведем расчеты для конкретного состава V21+4 % WCHaH0. Размер наночастиц аг - 10-100 нм, pi = 8,13 г/см3, aj = 3 10"4 см, ф2 = 0,04, р2 = 15,7 г/см3. Результаты расчета представлены на рисунке 35. Даже для а = 0,1 наночастицы занимают значительную часть поверхности контакта зерен. В случае менее плотных частиц ЪхОг (pwc = 15,7 г/см3 , а ргюг = 5,56 г/см3) коэффициент заполнения границ раздела наночастицами будет в три раза большим. Таким образом, наночастицы могут заблокировать значительную часть поверхности раздела частиц связки и тогда в зависимости от химического потенциала взаимодействия в системе «связка -наночастица» будет происходить либо тормозящее, либо ускоряющее воздействие на процесс спекания.
