Отчет ИВМ СО РАН за 2003 год

Программы Президиума РАН

• Комплексная программа № 8 Президиума РАН "Фундаментальные проблемы физики и химии наноразмерных систем и наноматериалов"

Комплексная программа № 8 Президиума РАН "Фундаментальные проблемы физики и химии наноразмерных систем и наноматериалов"

Научный руководитель:
д.т.н., проф. Г. Г. Крушенко

Общая характеристика исследованных нанопорошков химических соединений

Для проведения исследований были изучены нанопорошки (НП) AlN; Al₂O₃ (получен методом плазмохимического синтеза и электровзрывным способом); B₄C; B₄C с примесью BN + Si; BN; Cr₃C₁₆N_0,4 c примесью Cr₂O₃ + С; Cr₂O₃; HfB₂; HfN; LaB₆; SiC; SiC с примесью SiO₂; SiC c примесью SiO₂ + Si; Si₃N₄; TaN; TiC_xN_y; TiC_xN_yO_z; TiN; TiO₂; Ti₅Si₃: VC; VC_0,75 N_0,25 с примесью V₂O₃; ZrB₂ и алмазно-графитовый НП (получен методом ударно волнового синтеза), все остальные НП получены методом плазмохимического синтеза. Данные НП относятся к промежуточным фазам (соединения металлов с углеродом, азотом, бором), характерной особенностью которых является высокая степень устойчивости, неметаллический характер, высокая температура плавления (в области 2273:3273 К).

Кристаллические системы, классы, параметры решеток и другие характеристики для каждого из изученных НП существенно отличаются. Например, НП химического соединения B₄C относится к ромбоэдрической системе, дитригональному классу, обладает тремя плоскостями симметрии и пространственной группой 3m, структурный тип B₄C с параметрами решетки, нм: а = 561, c = 1,212, c/a = 2,165; НП химического соединения SiC относится к гексагональной системе, дигексагонально-бипирамидальному классу, обладает 3 + 3 плоскостями симметрии и пространственной группой , структурный тип Be₂SiO₄ c параметрами решетки, нм: а = 0,7818, с = 0,5591, с/а = 0,7151.

Разработка технологии изготовления композиционного материала из алюминия и НП путем экструзии

Сущность технологии заключается в следующем. Гранулы или нарезанные из прутка (отпрессованного из алюминиевого сплава АД) частицы размером 1,5:3,0 мм смешивали с НП. Полученная смесь засыпалась в тонкостенный алюминиевый контейнер и проводилось его прессование через профильные фильеры на гидравлическом прессе. В результате получали протяженные профили (метры) любого сечения (прутки, уголки, швеллеры, тавры, двутавры, пустотелые профили и др.) с волокнистой внутренней структурой и тонкостенной оболочкой (десятые доли мм). При проведении механических испытаний прутков диаметром 9,5 мм, отпрессованных из гранул алюминиевого деформируемого сплава АД0 были получены: временное сопротивление σ_в = 98,1 МПа, предел текучести σ_0,2 = 48,1 МПа, относительное удлинение δ = 42,8 %; прутки такого же диаметра, отпрессованные из таких же гранул, но с НП нитрида бора BN, показали: σ_в = 113,8 МПа (больше на 16,0 %), σ_0,2 = 56,9 МПа (больше на 18,3 %) и δ = 43,2 %; из гранул и НП карбонитрида титана TiCN — σ_в = 121,6 МПа (больше на 24,0 %), σ_0,2 = 59,9 МПа (больше на 22,5 %) и δ = 43,9 %. Таким образом, введение НП приводит к существенному повышению характеристик прочности (на 16..25 %), при этом сохраняется уровень пластических свойств сплава.

Оболочка прутков, имеющая толщину в десятые доли миллиметра, легко разрезается и расположенные под ней волокна можно отделить друг от друга и использовать как исходный материал для последующего получения компактного высокопрочного композиционного материала. Исследование волокон с помощью оптического микроскопа при 800-кратном увеличении выявило на их поверхности темные области, которые при изучении с помощью растрового электронного микроскопа РЭМ-100У при 7300-кратном увеличении, а также в результате выполненного на этом же микроскопе микрорентгеноспектрального анализа, были идентифицированы как соответствующие НП. Отсюда следует вывод, что деформация гранул алюминия, покрытых частицами НП при перемешивании, происходит изолированно друг от друга, что и приводит к получению из них протяженных волокон. Прочное сцепление волокон в прессованных профилях связано с взаимным внедрением частиц НП в смежные поверхности прилегающих друг к другу волокон. Количество волокон в различных сечениях прутка Ø 9,5 мм колеблется в пределах 1000:1200 шт.

С целью изучения структуры и свойств волокон они извлекались из прутка механическим способом. С помощью инфракрасного микроскопа МИК-4 проводились исследования формы поперечного и продольного сечений волокон, которые показали, что волокна в продольном направлении имеют форму сильно вытянутого эллипса, длина которого определяется размером исходных гранул. Поперечное сечение волокон имеют сложную форму в виде неправильного прямоугольника. По результатам измерений построены гистограммы и получены параметры нормального и вейбулловского законов распределения площади поперечного сечения волокон. Полученные результаты используются как исходные данные в структурных моделях деформирования и разрушения волокнистого алюминиевого композита.

Разработка технологии получения композиционного поверхностно-легированного износостойкого слоя на поверхности литых изделий

Сущность разработанного способа заключается в том, что в месте формирования изнашиваемой поверхности подготовленной к заливке литейной формы устанавливается специальная вставка, изготовленная из наплавочных порошков. При заливке в форму металла вставка расплавляется, образуя на поверхности отливки легированный высокопрочный слой, обладающий повышенной износостойкостью по сравнению с основным металлом. При получении отливок из стали 35Л вставки готовили путем прессования легирующей композиции, состоящей из наплавочного порошкового сплава ПГ-СР4 (60...70 %), синтетической смолы СФП-011Л (2,0...5,0 %), НП карбонитрида титана TiCN (до 0,06 %) и ацетона (остальное). В процессе заливки металла в форму происходит расплавление вставки с образованием в процессе кристаллизации на поверхности затвердевшей отливки легированного слоя толщиной до 5 мм. В результате введения в легирующую композицию НП TiCN твердость легированного слоя повысилась по сравнению с композицией без НП с 32,5 до 44,5 ед. HRC (на 36,9 %), а микротвердость γ-твердого раствора легированного слоя повысилась с 2750 до 3900 МПа (на 41,8 %). Контрольные испытания показали, что относительная износостойкость (стойкость при газоабразивном износе, угле атаки 90°, абразив кварцевый песок; износостойкость стали 35Л принята за единицу) легированного слоя при введении НП возрастает на 45,8 % по сравнению со слоем, сформировавшимся из композиции, не содержащей НП.

Повышение износостойкости стальных деталей чеканочного инструмента плазменным силицированием

С целью упрочнения формообразующих поверхностей стальных матриц и пуансонов чеканочных прессов, применяющихся для штамповки стальных деталей различной конфигурации и назначения, была использована технология плазменного силицирования, в основе которой лежит процесс плазмохимического осаждения на поверхность изделия атомов (кластеров, наночастиц) кремния из газовой фазы с помощью ВЧИ-генератора. В качестве плазмообразующего газа использовали аргон. Источником упрочняющего материала кремния — служило жидкое кремнийорганическое соединение тетраэтоксисилан (ТЭОС). Рабочая частота, создаваемая ВЧИ-генератором, составляла 1 МГц при потребляемой мощности в пределах 35...40 кВт. Скорость плазменного потока (ламинарный), имеющего температуру 8773 К, составляла 25...30 м/с. Диаметр пятна прижога в области контакта плазменной струи с поверхностью на расстоянии 45...60 мм от среза составлял около 60 мм. Смесь газа-носителя аргона с парами ТЭОС готовилась в герметически закрытой металлической термостатированной (∼ 363 К) емкости, в которой находился жидкий ТЭОС и через которую с помощью заглубленной трубки барботировал аргон. Эта газообразная смесь подавалась в газооформитель плазмотрона и дальше в образующийся внутри него плазмоид, где и происходило разложение ТЭОС с выделением атомарного кремния. Поток плазмы, несущий атомы кремния, на высокой скорости соударялся с поверхностью обрабатываемого изделия, в результате чего в нее внедрялись наночастицы кремния, что и приводило к ее упрочнению.

Обрабатываемые матрицы и пуансоны устанавливались в тиски стола-манипулятора. В результате плазменного силицирования (в течение 40...50 с за 3...4 прохода стола) полированных рабочих поверхностей матриц и пуансонов, изготовленных из сталей У8 и У10, срок их службы увеличился в 2,5 раза, а из стали 7Х3 в 8 раз по сравнению с неупрочненными этим способом деталями. Плазменное силицирование показало аналогичный эффект упрочнения и связанный с ним эффект повышения износостойкости и на ряде деталей из алюминиевых конструкционных сплавов.

Основные публикации:

1. Крушенко Г. Г., Черепанов А. Н., Полубояров В. А., Кузнецов В. А.
   Влияние нанопорошков тугоплавких метариалов на свойства литых изделий из черных и цветных металлов и сплавов // Наука производству. — 2003. — № 4. — С. 29-36.

2. Крушенко Г. Г., Москвичев В. В., Буров А. Е.
   Повышение физико-механических свойств металлоизделий с помощью нанопорошков химических соединений // Материалы Всерос. науч.-практ. конф. «Достижения науки и техники развитию сибирских регионов». — Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2003. — Ч. 3. — С. 144–146.

3. Крушенко Г. Г., Черепанов А. Н., Полубояров В. А., Кузнецов В. А.
   Результаты опытно-промышленных исследований повышения свойств черных и цветных металлов с помощью тугоплавких нанопорошковых материалов // Известия вузов. Черная металлургия. — 2003. — № 2. — С. 12-14.

4. Крушенко Г. Г., Редькин В. Е., Карпов И. В., Гончаров В. М.
   Применение нанопорошков при изготовлении высоконагруженных деталей транспортных средств // Технология машиностроения. — 2003. — № 2. — С. 37-40.

5. Krushenko G., Moskvichev V. V., Burov A.
   Application of Nanopowders for Improving the Performance of Metal Products // Proc. X APAM Topical Sem. and III Conf. «Materials of Siberia: Nanoscience and Technology». — Novosibirsk: Inst. of Solid State Chemistry SB RAS, 2003. — Р. 131.

6. Крушенко Г. Г., Москвичев В. В., Буров А. Е., Сабиров Р. А.
   Получение с помощью нанопорошков алюминиевого композита, его свойства и применение для повышения качества металлоизделий // Материалы Всерос. науч.-техн. конф. «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы: получение, свойства, применение (третьи Ставеровские чтения)». — Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2003. — С. 118–120.

7. Сабиров Р. А., Буров А. Е.
   Механические свойства волокнистого алюминиевого композита, экструдированного с применением нанопорошков // Материалы Всерос. науч.-практ. конф. «Достижения науки и техники — развитию сибирских регионов». — Красноярск: ИПЦ КТУ, 2003. — Ч. 3. — С. 128.

(Отдел машиноведения)