ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫPrint ISSN: 1994-6309 Online ISSN: 2541-819X
Введение. В связи с расширяющимся практическим значением нестехиометрических карбидов титана TiCх в различных областях техники и в медицине важное значение имеют исследования как способов получения порошка карбида титана, так и его свойств в широком диапазоне изменения стехиометрии. Одним из эффективных способов воздействия на физико-механические свойства порошковых систем является их механическая обработка. При ударно-сдвиговом воздействии, реализующемся при обработке в шаровой мельнице, порошковой системе передается механическая энергия, в результате чего происходит ее измельчение, формирование центров с повышенной активностью на вновь образованных поверхностях, возможна реализация фазовых превращений, деформация кристаллической решетки, аморфизация, образование дефектов и т. п. Цель работы: исследование влияния низкоэнергетической механической обработки в шаровой мельнице на структуру, фазовый состав и параметры тонкой кристаллической структуры нестехиометрического порошка карбида титана, полученного восстановлением оксида титана углеродом и кальцием. Материалы и методы. Исследовали порошок карбида титана TiC, полученный карбидно-кальциевым восстановлением оксида титана. Порошок подвергали механической обработке в шаровой мельнице барабанного типа. Структуру порошков до и после обработки изучали на растровом электронном микроскопе Philips SEM 515. Площадь удельной поверхности определяли методом БЭТ. Фазовый состав и параметры тонкой кристаллической структуры порошковых материалов исследовали методом рентгенофазового и рентгеноструктурного анализа. Результаты и обсуждение. В работе установлено, что увеличение продолжительности механической обработки в шаровой мельнице нестехиометрического порошка карбида титана TiC0,7 приводит к увеличению площади удельной поверхности порошка с 0,6 до 3,4 м2/г, а рассчитанный из нее средний размер частиц уменьшается с 2 мкм до 360 нм. Показано, что в процессе обработки порошка нестехиометрического карбида титана TiC0,7 происходит изменение его структурно фазового состояния. Частицы порошка состоят из двух структурных составляющих с различным атомным отношением углерода к титану: TiC0,65 и TiC0,48. Механическая обработка порошка карбида титана приводит к уменьшению микронапряжений кристаллической решетки TiCx и размеров ОКР с 55 до 30 нм для фазы TiC0,48. А для фазы TiC0,65 с увеличением продолжительности механической обработки, так же как и для TiC0,48, размер ОКР понижается, а уровень микроискажений кристаллической решетки растет. Это свидетельствует о том, что в процессе механической обработки происходит не только измельчение частиц порошка, но и увеличение их дефектности.
Саблина Татьяна Юрьевна
Севостьянова Ирина Николаевна
1. Ortner H.M., Ettmayer P., Kolaska H. The history of the technological progress of hardmetals // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2014. – Vol. 44. – P. 148–159. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2013.07.014.
2. Li Y.-L., Takamasa I. Incongruent vaporization of titanium carbide in thermal plasma // Materials Science and Engineering: A. – 2003. – Vol. 345, iss. 1–2. – P. 301–308. – DOI: 10.1016/S0921-5093(02)00506-3.
3. Lee D.W., Alexandrovskii S.V., Kim B.K. Novel synthesis of substoichiometric ultrafine titanium carbide // Materials Letters. – 2004. – Vol. 58, iss. 9. – P. 1471–1474. – DOI: 10.1016/j.matlet.2003.10.011.
4. Synthesis of titanium carbide from a composite of TiO2, nanoparticles/methyl cellulose by carbothermal reduction / Y. Gotoh, K. Fujimura, M. Koike, Y. Ohkoshi, M. Nagura, K. Akamatsu, S. Deki // Materials Research Bulletin. – 2001. – Vol. 36, iss. 13–14. – P. 2263–2275. – DOI: 10.1016/S0025-5408(01)00713-9.
5. Formation of TiN, TiC and TiCN by metal plasma immersion ion implantation and deposition / P. Huber, D. Manova, S. Mandl, B. Rauschenbach // Surface and Coatings Technology. – 2003. – Vol. 174–175. – P. 1243–1247. – DOI: 10.1016/S0257-8972(03)00458-4.
6. Lengauer W. Transition metal carbides, nitrides, and carbonitrides // Handbook of ceramic hard materials / ed. by R. Riedel. – Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH, 2000. – Ch. 7. – P. 238–241. – DOI: 10.1002 / 9783527618217.ch7.
7. Protein adsorption and platelet attachment and activation, on TiN, TiC, and DLC coatings on titanium for cardiovascular applications / M.I. Jones, I.R. McColl, D.M. Grant, K.G. Parker, T.L. Parker // Journal of Biomedical Materials Research. – 2000. – Vol. 52, iss. 2. – P. 413–421. – DOI: 10.1002/1097-4636(200011)52:23.0.CO;2-U.
8. Экспериментальная оценка биосовместимости нового СВС-материала на основе карбида титана со сквозной пористостью на культурах мезенхимальных стволовых клеток костного мозга человека / И.М. Байриков, А.П. Амосов, О.В. Тюмина и др. // Вопросы челюстнолицевой, пластической хирургии, имплантологии и клинической стоматологии. – 2011. – № 1–2. – C. 23–27.
9. Application of the powder of porous titanium carbide ceramics to a reusable adsorbent for environmental pollutants / H. Moriwaki, S. Kitajima, K. Shirai, K. Kiguchi, O. Yamada // Journal of Hazardous Materials. – 2011. – Vol. 185, iss. 2–3. – P. 725–731. – DOI: 10.1016/j.jhazmat.2010.09.079.
10. Carbide-derived carbons: effect of pore size on hydrogen uptake and heat of adsorption / G. Youshin, R. Dash, J. Jagiello, J.E. Fisher, Y. Gogotsi // Advanced Functional Materials. – 2006. – Vol. 16. – P. 2288–2293. – DOI: 10.1002/adfm.200500830.
11. Role of mechanical activation in SHS synthesis of TiC / F. Magnalia, U. Anselmi-Tamburini, C. Deidda, F. Delogu, G. Cocco, Z.A. Munir // Journal of Materials Science. – 2004. – Vol. 39. – P. 5227–5230. – DOI: 10.1023/B:JMSC.0000039215.28545.2f.
12. Crystal growth of TiC grains during SHS reactions / B. Cochepina, V. Gauthiera, D. Vrelb, S. Dubois // Journal of Crystal Growth. – 2007. – Vol. 304. – P. 481–486. – DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2007.02.018.
13. Tong L., Reddy R.G. Synthesis of titanium carbide nano-powders by thermal plasma // Scripta Materialia. – 2005. – Vol. 52, iss. 12. – P. 1253–1258. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2005.02.033.
14. Dewan M.A.R., Zhang G., Ostrovski O. Carbothermal reduction of titania in different gas atmospheres // Metallurgical and Materials Transactions: B. – 2009. – Vol. 40. – P. 62–69. – DOI: 10.1007/s11663-008-9205-z.
15. Woo Y., Kang H., Kim D.J. Formation of TiC particle during carbothermal reduction of TiO2 // Journal of the European Ceramic Society. – 2007. – Vol. 27, iss. 2–3. – P. 719–722. – DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2006.04.090.
16. Grove D.E., Gupta U., Castleman A.W. Effect of carbon concentration on changing the morphology of titanium carbide nanoparticles from cubic to cubooctahedron // ACS Nano. – 2010. – Vol. 4. – P. 49–54. – DOI: 10.1021 / nn901041.
17. Preiss H., Berger L.M., Schultze D. Studies on the carbothermal preparation of titanium carbide from different gel precursors // Journal of the European Ceramic Society. – 1999. – Vol. 19, iss. 2. – P. 195–206. – DOI: 10.1016/S0955-2219(98)00190-3.
18. Preparation of titanium carbide powders by sol–gel and microwave carbothermal reduction methods at low temperature / H. Zhang, F. Li, Q. Jia, G. Ye // Journal of Sol-Gel Science and Technology. – 2008. – Vol. 46. – P. 217–222. – DOI: 10.1007/s10971-008-1697-0.
19. A simple method of synthesis and surface purification of titanium carbide powder / S. Dyjak, M. Norek, M. Polanski, S. Cudzilo, J. Bystrzycki // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2013. – Vol. 38. – P. 87–91. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2013.01.004.
20. Fu Z., Koc R. Pressureless sintering of submicron titanium carbide powders // Ceramics International. – 2017. – Vol. 43, iss. 18. – P. 17233–17237. – DOI: 10.1016/j.ceramint.2017.09.050.
21. Tong L., Reddy R.G. Synthesis of titanium carbide nano-powders by thermal plasma // Scripta Materialia. – 2005. – Vol. 52, iss. 12. – P. 1253–1258. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2005.02.033.
22. Preparation of titanium carbide powders by carbothermal reduction of titania/charcoal at vacuum condition / W. Sen, H. Sun, B. Yang, B. Xu, W. Ma, D. Liu, Y. Dai // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2010. – Vol. 28, iss. 5. – P. 628–632. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2010.06.005.
23. Фазовые превращения беспорядок-порядок и электросопротивление нестехиометрического карбида титана / В.Н. Липатников, А. Коттар, Л.В. Зуева, А.И. Гусев // Физика твердого тела. – 1998. – T. 40, № 7. – C. 1332–1340.
24. Кипарисов С.С., Левинский Ю.В., Петров А.П. Карбид титана: получение, свойства, применение. – М.: Металлургия, 1987. – 215 с.
25. Kurlov A.S., Gusev A.I. High-energy milling of nonstoichiometric carbides: effect of nonstoichiometry on particle size of nanopowders // Journal of Alloys and Compounds. – 2014. – Vol. 582. – P. 108–118. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.08.008.
26. Горбачева Т.Б. Рентгенография твердых сплавов. – М.: Металлургия, 1985. – 205 с.
27. Effect of mechanical treatment on properties of Si-Al-O zeolites / A.Y. Buzimov, W. Eckl, L.A. Gömze, I. Kocserha, E. Kurovics, A.S. Kulkov, S.N. Kulkov // Építoanyag – Journal of Silicate Based and Composite Materials. – 2018. – Vol. 70, iss. 1. – P. 23–26. – DOI: 10.14382/epitoanyag-jsbcm.2018.5.
28. Peculiarities of the formation of high-defect states in mechanocomposites and powders of niobium and aluminum under severe deformation in planetary ball mills / I.A. Ditenberg, A.N. Tyumentsev, K.I. Denisov, M.A. Korchagin // Physical Mesomechanics. – 2013. – Vol. 16. – P. 84–92. – DOI: 10.1134/S1029959913010098.
29. Абдульменова Е.В., Кульков С.Н.. Влияние механической активации порошка ВК-8 на свойства спеченных твердых сплавов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2021. – Т. 23, № 1. – С. 68–78. – DOI: 10.17212/1994-6309-2021-23.1-68-78.
30. Boldyrev V.V. Mechanochemistry and mechanical activation of solids // Russian Chemical Reviews. – 2006. – Vol. 75, iss. 3. – P. 177–189. – DOI: 10.1070/RC2006v075n03ABEH001205.
31. Urakaev F.K., Boldyrev V.V. Mechanism and kinetics of mechanochemical processes in comminuting devices // Powder Technology. – 2000. – Vol. 107, iss. 1–2. – P. 93–107. – DOI: 10.1016/s0032-5910(99)00175-8.
32. Scherrer P. Bestimmung der inneren Struktur und der Größe von Kolloidteilchen mittels Röntgenstrahlen // Kolloidchemie Ein Lehrbuch. – Berlin; Heidelberg: Springer, 1912. – P. 387–409. – DOI: 10.1007/978-3-662-33915-2_7.
33. Stokes A.R., Wilson A.J.C. The diffraction of X-rays by distorted crystal aggregates // Proceedings of the Physical Society. – 1944. – Vol. 56 (3). – P. 174–181. – DOI: 10.1088/0959-5309/56/3/303.
34. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. – М.: Металлургия, 1970. – 376 с.
35. High-energy ball-milling combined with annealing of TiC powders and its influence on the microstructure and mechanical properties of the TiC-based cermets / H. Xiong, Z. Li, X. Gan, L. Chai, K. Zhou // Materials Science and Engineering: A. – 2017. – Vol. 694. – P. 33–40. – DOI: 10.1016/j.msea.2017.03.092.
36. Xiong H., Li Z., Zhou K. TiC whisker reinforced ultra-fine TiC-based cermets: microstructure and mechanical properties // Ceramics International. – 2016. – Vol. 42, iss. 6. – P. 6858–6867. – DOI: 10.1016/j.ceramint.2016.01.069.
37. Влияние механической обработки на структуру и свойства порошка нестехиометрического карбида титана / М.В. Григорьев, Л.М. Молчунова, С.П. Буякова, С.Н. Кульков // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2013. – Т. 56, № 7-2. – С. 206–210.
38. Ремпель А.А. Эффекты атомно-вакансионного упорядочения в нестехиометрических карбидах // Успехи физических наук. – 1996. – Т. 166, № 1. – С. 32–62.
39. Гусев А.И. Превращение беспорядок-порядок и фазовые равновесия в сильно нестехиометрических соединениях // Успехи физических наук. – 2000. – Т. 170, № 1. – С. 3–40.
40. Гусев А.И. Нестехиометрия и сверхструктуры // Успехи физических наук. – 2014. – Т. 184, № 9. – С. 905–945.
Финансирование:
Результаты получены при выполнении комплексного проекта «Создание высокотехнологичного импортозамещающего производства полного цикла металлорежущих сложнопрофильных многогранных твердосплавных пластин для приоритетных отраслей промышленности» (соглашение о предоставлении субсидии от 27.11.2019 № 075-11-2019-036), реализуемого ИФПМ СО РАН при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках постановления Правительства РФ от 09.04.2010 № 218.
Благодарности:
Авторы статьи выражают благодарность и признательность м.н.с Абдульменовой Е.В. за помощь при проведении механической обработки порошка и д.ф.-м.н, профессору С.Н. Кулькову за конструктивное обсуждение полученных результатов. Исследования выполнены на оборудовании ЦКП "Структура, механические и физические свойства материалов".
Саблина Т.Ю., Севостьянова И.Н. Низкоэнергетическая механическая обработка порошка нестехиометрического карбида титана // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2021. – Т. 23, № 3. – С. 112–123. – DOI: 10.17212/1994-6309-2021-23.3-112-123.
Sablina T.Yu., Sevostyanova I.N. Low energy mechanical treatment of non-stoichiometric titanium carbide powder. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2021, vol. 23, no. 3, pp. 112–123. DOI: 10.17212/1994-6309-2021-23.3-112-123. (In Russian).
