Obrabotka Metallov 2011 No. 2

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ № 2 (51) 2011 61 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Рис. 1 . Схема установки синтеза карбидов тугоплавких металлов: 1 – металл - графитовый анод; 2 – катод; 3 – нарост; 4 – «пристеноч- ная» сажа; 5 – «воротниковая» сажа; 6 – водоохлаждаемый корпус реактора; 7 – смотровое окно; 8 , 9 – газовые вентили тонкой регулировки; 10 – подвижная термопара; 11 – вакуумные клапаны; 12 – регулятор давления; 13 , 14 – системы охлаждения электродов; 15 – привод манипулятора; 16 – тканевый фильтр в котором по центру высверливался канал диаметром 6 мм и глубиной 160 мм. Пустой графитовый стержень наполнялся порошковой смесью основного материала и сажи в массовом соотношении 15:1 для синтеза № 2 и 1:1 для синтеза № 3 (см. таблицу). При использова- нии порошка карбида вольфрама (WC) сажа в смесь не добавлялась (синтез № 1, таблица). Величина зазо- ра между катодом и анодом в процессе сгорания гра- фитового электрода изменялась в диапазоне 1...3 мм. Среднее расстояние от электрической дуги до стенок водоохлаждаемой камеры составляло 250 мм. Продукты электродугового испарения металл- графитового электрода конденсировались на бо- ковых стенках водоохлаждаемой камеры («при- стеночная» сажа), системе охлаждения электродов («воротниковая» сажа) и на катоде («нарост») [4]. «Пристеночная» сажа представляла собой хлопье- видную массу с низким удельным весом, в то время как «нарост» в виде конусоподобного тела практи- чески правильной геометрической формы был весь- ма твердым и прочным. Содержание продуктов синтеза определялось пу- тем их сжигания в термогравиметрической установ- ке NETZSCH Jupiter STA 449c. Структура и размеры продуктов синтеза изучались на электронном микро- скопе Tecnai G2 20TWIN. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Наибольший выход наноразмерных частиц карби- да вольфрама получался при использовании в каче- стве исходного материала крупнозернистого порошка карбида вольфрама. При этом в составе конденси- рованных продуктов испарения количество рыхлой «пристеночной» сажи составляет ~ 60 % массы, эла- стичной «воротниковой» сажи ~ 15 %, плотного «на- роста» ~ 15 % и несгораемой части электрода ~ 10 %. Проведенные исследования выявили, что наиболь- шее количество наночастиц карбида вольфрама содер- жится в «пристеночной» саже, существенно меньше – в плотном наросте и практически отсутствует – в «во- ротниковой» саже. По данным окислительной термо- гравиметрии был проведен расчет процентного соста- ва вольфрамсодержащих продуктов в «пристеночной» саже. При использовании в качестве исходного по- рошка крупнозернистого карбида вольфрама величи- на вольфрамсодержащих продуктов синтеза состави- ла ~ 13…13,5 %, смеси вольфрама и сажи ~ 5…6 %. Наименьший процент выхода наблюдался при исполь- зовании порошка оксида вольфрама (~ 2…2,5 %). На рис. 2, а представлены электронные микро- фотографии «пристеночной» сажи. На изображени- ях видно, что сажа, наряду с наночастицами карбида вольфрама, содержит большое количество аморф- ного углерода и частиц графита различной степе- ни упорядоченности. Размер полученных частиц карбида вольфрама во всех трех синтезах составил 2...10 нм. Узкий диапазон размеров наночастиц кар- бида вольфрама объясняется обеспечением прак- тически одинаковых условий проведения синтеза. Для освобождения наноразмерных частиц карбида вольфрама от ненужных примесей использовались различные методы разделения, позволяющие груп- пировать продукты плазмохимического синтеза по фракциям, гранулометрическому составу и агрегат- ному состоянию [3, 4]. Наиболее эффективной была Параметры синтеза карбида вольфрама Номер опыта Исходный материал Напряжение, В Ток, А Разряжение вакуума, мм рт. ст. Давление гелия, атмосфер Время горения, мин 1 WC 55…60 350...450 10 -1 0,3 30 2 W+сажа 55…60 350...450 10 -1 0,3 30 3 WO 3 +сажа 55…60 350...400 10 -1 0,5 70