В настоящее время в качестве заменителя WC-Со систем при изготовлении твердых сплавов используется ультрадисперсная система WC-Fe-Ni, которая успешно конкурирует по ряду признаков. В частности, это более дешевый и более технологичный материал, уступающий по твердости на 2-3 HRA. С использование этой системы могут выполняться композиты по схемам порошковой технологии. Перспективным композитом следует считать конструкционную сталь с твердосплавными вставками, формирующими контактные пары трения. Развитие этого направления сдерживается крайне малой информацией по составам систем, процессам компактирования, режимам спекания.
В этой связи поставлена задача исследования поведения исходных компонентов указанной системы в процессе нагрева. При этом использовались карбонильные порошки железа и никеля.
Исследовали исходные карбонильные радиотехнические порошки железа марки Р10 (ГОСТ13610-79) и никеля марки ПНК-ОТ1 (ГОСТ 9722-97) , поскольку они являются, сами по себе, сложными системами. Так, карбонильное железо и никель с гранулометрическим однородным составом и размерами частиц порядка 1,0 мкм содержат 0,96 – 1,0% углерода в виде наноразмерных слоев, разделяющих тонкие металлические сферы в каждой частице. По литературным данным [1] при нагреве происходят существенные изменения с превращением микроразмерных частиц в наноразмерные.
Для выявления картины превращений производили поэтапное разложения железа Р10. При этом навеску карбонильного порошка в течение 15 минут нагревали в кварцевом реакторе с водородной атмосферой до различных температур и охлаждали без выдержки. Отжиг проводился при температурах 150, 250, 350, 400, 450, 500 и 5500С. Для описании поведения системы использовались: начальная масса GН, конечная масса (после нагрева) GК, абсолютное изменение массы G, коэффициент изменения массы = GК/ GН, относительное изменение массы = ( G/ GН)100%. Численные значения указанных параметров приведены в таблице 1. Как следует из таблицы, изменение массы порошка имеет нелинейный характер.
Таблица 1 - Параметры отжига карбонилов в среде водорода
Температура нагрева, 0С/ время, мин |
150/15 |
250/15 |
350/15 |
400/15 |
450/15 |
500/15 |
550/15 |
Начальная масса GН, гр |
1.001 |
0.575 |
0.545 |
0,538 |
0,522 |
0,594 |
0.795 |
Масса после нагрева GК, гр |
0.882 |
0.497 |
0.532 |
0.504 |
0.519 |
0.569 |
0.718 |
Абсолютное изменение массы, G, гр |
0.119 |
0.078 |
0.013 |
0,034 |
0.003 |
0.025 |
0.077 |
Коэффициент изменения массы, = GК/ GН |
0.88 |
0.86 |
0.97 |
0.93 |
0.99 |
0.95 |
0.90 |
Относительное изменение массы, = ( G/ GН)100% |
11.88 |
13.56 |
2.38 |
6.3 |
0.57 |
4.20 |
9.68 |
Для большей наглядности на графике (рисунок 1) приведена зависимость коэффициента изменения массы от температуры отжига. Минимумы значений при температурах 250 и 4000С, выше температуры 4500С коэффициент непрерывно уменьшается. Критические точки связаны с переходами системы к различным модификациям.
Рисунок 1 - График изменения массы карбонильного железа при отжиге
Для выяснения причин такого поведения исследовали электронную структуру порошков после отжига [2]. Структуры для критических точек на графике (рисунок 1) приведены на рисунке 2.
( а ) ( б) (в) (г) (д)
Рисунок 2 - Структура карбонильного железа после отжига при температурах:
а- 150, б- 250, в-350,г-450-500, д-550 0С
Показано, что в интервале 150 – 2000С структура (рисунок 2а) практически не изменяется. При температуре 250 0С видно (рисунок 2б), что структура состоит из исходных частиц и частично претерпевает распад. Следует полагать, что увеличение коэффициента изменения массы связано именно с этим процессом, последующие изменения определяются процессами окисления и коагуляции (рисунки 2в, 2г, 2д).
Выводы
Исследовано поведение карбонильного железа при нагреве в интервале 150 -5500С. Выявлены структурные изменения карбонильного железа, связанные с распадом частиц и окислением продуктов распада.
Показано, что размеры образующихся конечных частиц имеют наноразмерные величины (40 – 60 нм).
Список литературы
1. Третьяков М.М. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов.. 2-е изд./ В. М. Третьяков// М.: «Металлургия». 1976.- 528 с.
2. Практические методы в электронной микроскопии/Под ред. Одри М. Глоэра: Пер. с аегл./Под ред. В.Н. Верцнера.- Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1980.- 375 с.