Obrabotka Metallov 2013 No. 2

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ № 2 (59) 2013 41 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Рис. 3. Зависимость температуры плавления наночастиц вольфрама, железа и никеля от их радиуса Температура плавления зависит от приведен- ного размера наночастиц и определяется следу- ющим соотношением [1]: ( ) 1 1 0 exp m m T T ⎡ ⎤ α − ζ = −⎢ ⎥ ζ − ⎣ ⎦ . (4) Температура начала плавления поверхности наночастиц порошка может быть получена из соотношения ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 1 1 0 75 . sm m T T = ζ + α − ζ − α . (5) Как и в случае с эквивалентной температу- рой, зависимостью от ζ температур T sm и T m мож- но пренебречь, если характерный размер частиц порошка больше 100 нм. Как было выявлено в работе [1], существует критический диаметр на- ночастиц d c (см. таблицу), при котором поверх- ность наночастицы не плавится вплоть до тем- пературы плавления. Плавление поверхности частиц ультрадисперсного порошка может ис- пользоваться для улучшения спекаемости туго- плавких материалов. 2. Результаты и обсуждение Грубодисперсные порошки, которые с трудом поддаются спеканию, могут быть превращены в материалы с высокой плотностью и прочностью путем использования ультрадисперсных порош- ков, активирующих процесс спекания. Так, в ра- боте [2] было проведено спекание грубодисперс- ного вольфрама с добавлением нанопорошка никеля или вольфрама. Отдельно было проведено спекание нанопорошка воль- фрама. Прессовки спекали при давле- нии ~10 –3 Па и температуре 1450 °С. Время изотермической выдержки со- ставляло 1 ч. Прессовки из нанопорош- ка вольфрама без добавок не спекались до высокой плотности. В рамках разви- той нами модели легко объяснить по- лученный результат. В грубодисперс- ных порошках при температурах ниже (0,5 – 0,6) Т 0 m процессы массопереноса путем пластического течения и объем- ной диффузии атомов не играют суще- ственной роли [5]. Для наночастиц это соотношение нарушается, поскольку температура плавления зависит от ха- рактерного размера наночастиц (см. формулу (4) и рис. 3). Расчет по формуле (3) для наночастиц вольфрама диаметром 44 и 22 нм дает значе- ние отношения T eq / T b , равное 0.92 и 0.85 соот- ветственно. Для гомологической температуры 0.6 получаем эквивалентную температуру 1770 и 1600 °С. Следовательно, температура отжига в работе [2] на 150…300 °С ниже минимально необходимой для спекания наночастиц воль- фрама. Разумеется, нанопорошок представляет собой смесь наночастиц различного диаметра, поэтому частично нанопорошок будет спекаться и уплотняться при более низких температурах. Так, например, эквивалентная температура нача- ла спекания частиц вольфрама диаметром 10 нм равна 1170 °С (расчет по формуле (3)). Однако в рассматриваемой работе использовались уль- традисперсные электровзрывные порошки W и Ni с диаметром частиц до 100 нм, поэтому доля наночастиц диаметром меньше 20 нм была недо- статочна для высокой плотности спекания. Добавление нанопорошка никеля до 1 мас. % увеличило усадку прессовок. Дальнейшее уве- личение количества добавляемого нанопорошка никеля усадку заметно не меняет. Аналогична зависимость плотности спеченного материала от количества добавленного нанопорошка никеля: до содержания 1-2 мас. % никеля плотность рас- тет, затем практически не изменяется. В рамках развитой нами модели это явление легко объяс- нить. Действительно, из зависимости темпера- туры плавления от характерного размера нано-