Введение к работе
Актуальность темы. Разнообразие уникальных свойств ультрадисперсних порошков (УДТІ) и. материалов на их основе обуславливает различные области их применения. Области использования УДП можно классифицировать следующим образом:
а) непосредственное использование УДП в диспергированном
состоянии: пигменты для красок, различные виды наполнителей
каучука и резины, магнитные порошки, биологически активные
препараты, присадки к смазочным маслам, катализаторы и др.;
б) использование в дисперсноупрочненных материалах: твердые
сплавы, материалы для электрических контактов, инструмен
тальная керамика и др.; в) использование в качестве исход
ного сырья для изготовления нанокрпсталлических материалов
и пористых' компактов..
Свойства УДП во многом определяются физико-химическими условиями их синтеза. К настоящему времени разработаны различные способы получения УДП. Однако, широкое применение УДП сдерживается их значительной стоимостью. Перспективным и актуальным является получение из УДП нанокрпсталлических материалов. Однако, до настоящего времени остаются слабо изученными общие закоіїомерности и особенности консолидации (уплотнение при прессовании, спекании, горячем прессовании) УДП.
Применение дисперсных порошков различных веществ и соединений обусловлено возможностью интенсификации процесса спекания (наиболее широко используемого в порошковой металлургии процесса), а также необходимостью получать спеченные материалы с наименьшей или регулируемой пористостью и размером зерен, а, следовательно, наиболее высокими свойствами прочности и пластичности.
Получение спеченных материалов с повышенными физико-механическими свойствами требует разработки новых технологий, основанных на понимании механизмов спекания УДП. Результаты исследований и большой практический опыт при получении спеченных изделий из крупнодисперсных порошков не могут быть однозначно перенесены на процессы спекания УДП,
поскольку спекание УДП имеет свои особенности. Широкое использование УДП сдерживается отсутствием систематических исследований закономерностей и механизмов их спекания. В связи с этим потребовалось провести работы по систематическому исследованию влияния размерных факторов УДП на основные физико-химические ' закономерности их спекания. Актуальность работы подтверждается также тем, что она выполнялась в рамках ГНТП "Перспективные материалы" и научных тем ИМЕТ РАН.
Цель и задачи работы. Целью представленной работы является развитие физико-химических основ влияния размерных факторов на свойства и кинетику спекания УДП, обеспечивающие получение массивных нанокристаллических материалов.,
В соответствии с поставленной целью в работе были поставлены и решены следующие задачи:
-
Развитие технологии получения УДП никеля, железа, меди и их композиций узкого фракционного состава с малым содержанием примесей.
-
Изучение влияния размера и формы ультрадисперсных частиц на температуру плавления и поверхностное натяжение.
-
Изучение основных факторов, влияющих на кинетику и механизмы спекания УДП. Выявление стадий и механизмов процесса спекания УДП.
-
Разработка модели начальной стадии спекания УДП, учитывающей термофлуктуационное плавление отдельных частиц.
-
Изучение влияния размерных факторов УДП. на их прессование и спекаїше под давлением и разработка способов подавления роста зерен при спекании и технологий получения массивных нанокристаллических материалов на их основе.
Научная ноеизнз и положения, выносимые на защиту. Проведенные в данной работе теоретические и экспериментальные исследования позволили сформулировать ряд положений, которые являются новыми и выносятся на защиту:
I. На основе термодинамики дисперсных систем Т.Хилла установлены аналитические зависимости температуры плавления и поверхностного натяжения от размера и формы ультрадисперсних частиц. Показано, что для частиц менее ,?0 им
--б-;..::-.
поверхностное натяжение существенно зависит'от их размера.
. !; 2. Разработан кинетический.подход к анализу механизмов, контролирующих процесс спекания порошков, с учетом размерного фактора. Показано, что процесс спекания УДП многостадийный: на первой стадии - вязкое течение (коалесценция и коагуляция частиц), на второй стадии -поверхностная самодиффузия (в водороде),и диффузия атомов металла-основы через оксидную пленку на поверхности частиц (в вакууме),'- на, третьей' стадии - зернограничная самодиффузия (в водороде) и объемная самодиффузия (в вакууме). Для первой стадии разработана новая модель спекания- УДП. с учетом тёрмофлуктуационного плавления
отдельных: малых частиц, с последующей их коагуляцией и коалесценцией, позволяющая. объяснить зависимость температуры начала спекания УДП, от размера и формы чгстиц. Полученные аналитические зависимости позволяют рассчитать температуру начала спекания УДП, выявить влияние размэра и формы частиц на процесс спекания порошков, а также физических свойств материала.
-
На основании экспериментального исследования изменения, внутреннего трения и динамического модуля упругости в процессе спекания компактов из УДП меди выявлены процессы структурной релаксации, обусловленные миграцией собственных межузельных атомов и вакансий, что подтверждает превалирующую роль поверхностной самодиффузии. В компактах, полученных без предварительного довосстановления оксидных пленок на поверхности. частиц порошка, эти процессы полностью подавлены."' Процесс спекания- компактов из УДП меди, полученных при комнатной температуре, сопровождается ростом динамического модуля упругости. Повышенные демпфирующие свойства компактов из УДП обусловлены развитой поверхностью межзеренных границ.
-
Разработан комплекс технологических процессов (горячая газовая экструзия, спекание под давлением, в частности, смесей крупнодисперсных порошков с УДП), обеспечивающих возможность получения из- УДП массивных материалов с нанокристаллической структурой.
Научная и практическая ценность. На основании выполненного комплекса теоретических и экспериментальных исследований разработаны новые технологические процессы, обеспечивающие получение продукции высокого качества и надежности: '
1. Развита технология получения -УДП железа, никеля,
меди и их композиций узкогофракционного состава с малым
содержанием примесей, заключающаяся в получении гидроксидов
металлов методом гетерофазного взаимодействия с их
последующей термической обработкой в среде водорода.
-
Способ подавления рекристаллизации в процессе горя-.' чего прессования металлических УДП, включающий получение заготовки с низкой плотностью, ее нагрев до температуры восстановления оксидной пленки с выдержкой до полного ее восстановления и приложение давления. ,
-
Технологические схемы получения высокоплотных ком-, пактов из УДП методами спекания под давлением,, горячего, изостатического прессования и газовой экструзии. Впервые . методом горячей газовой экструзии получены массивные -нанокристаллические- материалы из УДП никеля и железа, имеющие повышенные прочностные свойства.
-
Показана интенсификация усадки и рост межчастичных контактов с увеличением содержания УДП при спекании крупнодисперсных порошков с добавками. УДП.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на! заседаниях Секции ."Ультрадисперсные среды" Научного Совета АН СССР "Физика,- химия и механика, поверхности" (1987, 1983, 1990 г.г.), Всесоюзной ко'нферен-ции "Применение методов порошковой металлургии для изготовления деталей и инструмента" (Ереван,, 1990 г.), II Всесоюзном симпозиуме по перспективным материалам (Москва, 1991г.), Семинарах '"Ультрадисперсные и неупорядоченные системы. Свойства и структура" (Пермь, 1991 г.), "Структура дислокаций и механические свойства металлов и сплавов" (Екатеринбург, 1993 г.), Российско-китайском симпозиуме по перспективным материалам и процессам (1993, 1995 г.г.), ' Российской конференции "Применение мессбауэровской
спектроскопии в материаловедении" (Ижевск, 1993 г.). Международных конференциях по .наноструктурным материалам (Германия, 1994 г.). "Новейшие технологии в области органической и неорганической химии-95" (Москва, 1995 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 34 научных работы, получен один патент.
,- Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы из 251 наименований, диссертация содержит 235 страниц, включая 50 иллюстраций и 22 таблицы.
Во введении обоснована актуальность проблемы разработки новых- технологий получения материалов на основе УДП. Сформулированы цели исследования. В разделе "Выводы" изложены основные положения, выносимые на зашиту.
