ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Одним из методов повышения свойств спеченных материалов является механоактивация порошков, обеспечивающая измельчение порошков, изменение их энергетического состояния, интенсификацию спекания порошковых материалов и формирование в них мелкозернистой структуры. При механоактивации вольфрамовых порошков в центробежных шаровых мельницах возможно образование наночастиц, обладающих высокой реакционной способностью. Цель работы – изучение влияния механоактивации частиц вольфрама на структуру и свойства спеченного порошкового материала Sn-Cu-Co-W. Методика исследования. Механическую активацию порошка вольфрама марки W16,5 осуществляли на центробежной шаровой мельнице АГО-2У в течение 5…120 мин с частотами вращения водила 400…1000 об/мин. Смесь порошков вольфрама, олова, меди и кобальта уплотняли статическим прессованием в пресс-формах и спекали в вакууме при 820 °С. Морфологию и размеры частиц порошков, а также структуру спеченных образцов изучали с помощью сканирующей электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального анализа и оптической металлографии. Пористость спеченных образцов определяли весовым методом. Измеряли микротвердость структурных составляющих и макротвердость спеченных материалов. Результаты и обсуждения. При исследованных режимах механоактивация сопровождается образованием наночастиц вольфрама с минимальным размером 25 нм. Вместе с этим порошок подвергается наклепу, что затрудняет дальнейшее измельчение. Наночастицы вольфрама, обладающие высокой поверхностной энергией, оказывают заметное влияние на растворение-осаждение кобальта при жидкофазном спекании порошкового материала Sn-Cu-Co-W. Введение в материал нанодисперсного вольфрама замедляет рост частиц кобальта при спекании и способствует получению мелкозернистой структуры. Спеченный материал Sn-Cu-Co-W, содержащий механоактивированный вольфрам, обладает повышенной твердостью 105…107 HRB, что объясняется наклепом частиц вольфрама и дисперсионным упрочнением. Результаты могут быть использованы для повышения механических свойств сплавов Sn-Cu-Co-W, применяемых в качестве металлических связок алмазно-абразивных инструментов.

1. Konstanty J. Powder metallurgy diamond tools. – Oxford: Elsevier, 2005. – 152 p. – ISBN 978-1-85617-440-4. – DOI: 10.1016/B978-1-85617-440-4.X5077-9.

2. Composite materials of diamond−(Co–Cu–Sn) system with improved mechanical characteristics. Pt. 1. The influence of hot re-pressing on the structure and properties of diamond−(Co–Cu–Sn) composite / M.V. Novikov, V.A. Mechnyk, M.O. Bondarenko, B.A. Lyashenko, M.O. Kuzin // Journal of Superhard Materials. – 2015. – Vol. 37. – P. 402–416. – DOI: 10.3103/S1063457615060052.

3. Sokolov E.G. Structure formation during liquid-phase sintering of the diamond-containing composites with Sn-Cu-Co-W binders // Solid State Phenomena. – 2018. – Vol. 284. – P. 127–132. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.284.127.

4. Исследование структуры и механических свойств нано- и ультрадисперсных механоактивированных вольфрамовых псевдосплавов / В.Н. Чувильдеев, А.В. Нохрин, Г.В. Баранов, А.В. Москвичева, Ю.Г. Лопатин, Д.Н. Котков, Ю.В. Благовещенский, Н.А. Козлова, С.В. Шотин, Д.А. Конычев, А.В. Пискунов // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. – 2010. – № 2 (1). – С. 47–59.

5. Исследование процессов спекания нано- и ультрадисперсных механоактивированных порошков системы W-Ni-Fe и получение сверхпрочных тяжелых вольфрамовых сплавов / В.Н. Чувильдеев, А.В. Нохрин, Г.В. Баранов, М.С. Болдин, А.В. Москвичева, Н.В. Сахаров, Д.Н. Котков, Ю.Г. Лопатин, В.Ю. Белов, Ю.В. Благовещенский, Н.А. Козлова, Д.А. Конычев, Н.В. Исаева // Металлы. – 2014. – № 2. – С. 51–66.

6. Fabrication of W-Cu functionally graded composites using high energy ball milling and spark plasma sintering for plasma facing components / L.K. Pillari, S.R. Bakshi, P. Chaudhuri, B.S. Murty // Advanced Powder Technology. – 2020 – Vol. 31 (8). – P. 3657–3666. – DOI: 10.1016/j.apt.2020.07.015.

7. Effects of sintering temperature on fine-grained tungsten heavy alloy produced by high-energy ball milling assisted spark plasma sintering / L. Ding, D.P. Xiang, Y.Y. Li, C. Li, J.B. Li // Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2012. – Vol. 33. – P. 65–69. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2012.02.017.

8. Refinement process and mechanisms of tungsten powder by high energy ball milling / Y.X. Liang, Z.M. Wu, E.G. Fu, J.L. Du, P.P. Wang, Y.B. Zhao, Y.H. Qiu, Z.Y. Hu // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2017. – Vol. 67. – P. 1–8. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2017.04.006.

9. Dispersed strengthening of a diamond composite electrochemical coating with nanoparticles / N.I. Polushin, A.V. Kudinov, V.V. Zhuravlev, N.N. Stepareva, A.L. Maslov // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. – 2013. – Vol. 54. – P. 412–416. – DOI: 10.3103/S1067821213050088.

10. Variation in the structure and properties of sintered alloys under the effect of nanodimensional carbon additives / P.A. Vityaz’, V.I. Zhornik, S.A. Kovaleva, V.A. Kukareko // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. – 2016. – Vol. 57. – P. 135–140. – DOI: 10.3103/S1067821216020115.

11. Performance of diamond drill bits with hybrid nanoreinforced Fe-Ni-Mo binder / P.A. Loginov, D.A. Sidorenko, M.Y. Bychkova, A.A. Zaitsev, E.A. Levashov // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2019. – Vol. 102. – P. 2041–2047. – DOI: 10.1007/s00170-018-03262-0.

12. The effect of ZrO₂ nanoparticles on the microstructure and properties of sintered WC–bronze-based diamond composites / Y. Sun, H. Wu, M. Li, Q. Meng, K. Gao, X. Lü, B. Liu // Materials. – 2016. – Vol. 9, N 343. – DOI: 10.3390/ma9050343.

13. Шарин П.П. Новый метод приготовления твердосплавной шихты с упрочняющими наночастицами для изготовления матриц алмазных инструментов // Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова. – 2016. – № 1 (51). – С. 78–87.

14. Гегузин Я.Е. Физика спекания. – М.: Наука, 1967. – 360 с.

15. Основы теории межфазного слоя / И.Ф. Образцов, С.А. Лурье, П.А. Белов, Д.Б. Волков-Богородский, Ю.Г. Яновский, Е.И. Кочемасова, А.А. Дудченко, Е.М. Потупчик, Н.П. Шумова // Механика композиционных материалов и конструкций. – 2004. – Т. 10, № 4. – С. 596–612.

16. Multiscale modelling of aluminium-based metal-matrix composites with oxide nanoinclusions / S. Lurie, D. Volkov-Bogorodskiy, Y. Solyaev, R. Rizahanov, L. Agureev // Computational Materials Science. – 2016. – Vol. 116. – P. 62–73. – DOI: 10.1016/j.commatsci.2015.12.034.

17. Kostikov V.I., Agureev L.E., Eremeeva Z.V. Development of nanoparticle-reinforced alumocomposites for rocket-space engineering // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. – 2015. – Vol. 56 (3). – P. 325–328. – DOI: 10.3103/S1067821215030104.

18. Зеликман А.Н. Металлургия тугоплавких редких металлов. – М.: Металлургия, 1986. – 440 с.

19. Predescu C., Nicolicescu C., Nicoara V.H. Studies regarding the elaboration of tungsten nanopowders by mechanical milling process // Metalurgia International. – 2013. – Vol. 18, iss. 2. – P. 65–68.

20. Озолин А.В., Соколов Е.Г., Гапоненко С.А. Получение нанодисперсных порошков вольфрама механическим измельчением // Материалы и технологии XXI века: XVI Международная научно-техническая конференция / под ред. О.Е. Чуфистова. – Пенза: Приволжский дом знаний, 2019. – С. 46–50.

21. Соколов Е.Г., Артемьев В.П. Влияние вольфрама на свойства металлических связок алмазных инструментов, полученных композиционной пайкой // Технология металлов. – 2015. – № 2. – С. 19–22.

22. Диаграммы двойных металлических систем: справочник. В 3 т. Т. 2 / под общ. ред. Н.П. Лякишева. – М.: Машиностроение, 1997. – 1024 c. – ISBN 5-217-01569-1.

23. Ozolin A.V., Sokolov E.G., Golius D.A. Effect of tungsten nanoparticles on interaction of Sn-Cu-Co metallic matrices with diamond // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2021. – Vol. 1155. – P. 012016. – DOI: 10.1088/1757-899X/1155/1/012016.

24. Ивенсен В.А. Феноменология спекания и некоторые вопросы теории. – М.: Металлургия, 1985. – 247 с.

25. German R.M. Sintering: From empirical observations to scientific principles. – Oxford: Butterworth-Heinemann, 2014. – 544 p. – ISBN 978-0-12-401682-8. – DOI: 10.1016/C2012-0-00717-X.

26. Шатинский В.Ф., Збожная О.М., Максимович Г.Г. Получение диффузионных покрытий в среде легкоплавких металлов. – Киев: Наукова думка, 1976. – 203 с.

27. The surface energy of metals / L. Vitos, A.V. Ruban, H.L. Skriver, J. Kollár // Surface Science. – 1998. – Vol. 411. – P. 186–202. – DOI: 10.1016/S0039-6028(98)00363-X.

28. Есенберлин Р.Е. Пайка и термическая обработка деталей в газовой среде и вакууме. – Л.: Машиностроение, 1972. – 184 с.