Том 25 № 3 2023 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing) на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Салихянов Д.Р., Мичуров Н.С. Моделирование процесса прокатки слоистого композита АМг3/ Д16/АМг3............................................................................................................................................................ 6 Ильиных А.С., Пикалов А.С., Милорадович В.К., Галай М.С. Экспериментальные исследования режимов скоростного шлифования рельсов.................................................................................................... 19 Салихянов Д.Р., Мичуров Н.С. Концепция микромоделирования процесса соединения разнородных материалов пластической деформацией.......................................................................................................... 36 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Тратия Д.K., Шеладия М.В., Ачарья Г.Д., Ачарья Ш.Г. Разработка экономичной конструкции коленчатого вала механического пресса с С-образной станиной на основании результатов анализа топологии............................................................................................................................................................ 50 Скиба В.Ю., Вахрушев Н.В., Титова К.А., Черников А.Д. Рационализация режимов поверхностной закалки ВЭН ТВЧ рабочих поверхностей пуансона в условиях гибридной обработки............................. 63 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Руктуев А.А., Юргин А.Б., Шикалов В.С., Ухина А.В., Чакин И.К., Домаров Е.В., Довженко Г.Д. Структура и свойства композиционного покрытия на основе высокоэнтропийного сплава, упрочненного частицами CrB.................................................................................................................................... 87 Майтаков А.Л., Грачев А.В., Попов А.М., Ли С.Р., Ветрова Н.Т., Плотников К.Б. Исследование рассеяния энергии и жесткости сварных соединений стыковой сварки давлением................................... 104 Сингх С.П., Хирвани Ч.К. Анализ механических свойств и характеристик свободных колебаний волокнистого полимерного композита на основе обработанных волокон муньи........................................ 117 Прибытков Г.А., Барановский А.В., Коржова В.В., Фирсина И.А., Кривопалов В.П. Синтез интерметаллидов системы Ti–Fe из смесей элементарных порошков......................................................... 126 Сингх С.П., Хирвани Ч.К. Анализ механических свойств и характеристик свободных колебаний полимерного композита на основе переплетенных обработанных волокон джута..................................... 137 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 152 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 163 Корректор Е.Е. Татарникова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 06.09.2023. Выход в свет 15.09.2023. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 20,5. Уч.-изд. л. 38,13. Изд. № 167. Заказ 245. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 25 No. 3 2023 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Aff airs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 25 No. 3 2023 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Salikhyanov D.R., Michurov N.S. Simulation of the rolling process of a laminated composite AMg3/ D16/AMg3.......................................................................................................................................................... 6 Ilinykh A.S., Pikalov A.S., Miloradovich V.K., Galay M.S. Experimental studies of high-speed grinding rails modes.......................................................................................................................................................... 19 Salikhyanov D.R., Michurov N.S. The concept of microsimulation of processes of joining dissimilar materials by plastic deformation......................................................................................................................... 36 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Tratiya D.K., Sheladiya M.V., Acharya G.D., Acharya S.G. Economical crankshaft design through topology analysis for C type gap frame power press SNX-320.......................................................................... 50 Skeeba V.Yu., Vakhrushev N.V., Titova K.A., Chernikov A.D. Rationalization of modes of HFC hardening of working surfaces of a plug in the conditions of hybrid processing................................................................ 63 MATERIAL SCIENCE Ruktuev A.A., Yurgin A.B., Shikalov V.S., Ukhina A.V., Chakin I.K., Domarov E.V., Dovzhenko G.D. Structure and properties of HEA-based coating reinforced with CrB particles.................................................. 87 Maytakov A.L., Grachev A.V., Popov A.M., Li S.R., Vetrova N.T., Plotnikov K.B. Study of energy dissipation and rigidity of welded joints obtained by pressure butt welding................................................... 104 Singh S.P., Hirwani C.K. Analysis of mechanical behavior and free vibration characteristics of treated Saccharum munja fi ber polymer composite...................................................................................................... 117 Pribytkov G.A., Baranovskiy A.V., Korzhova V.V., Firsina I.A., Krivopalov V.P. Synthesis of Ti–Fe intermetallic compounds from elemental powders mixtures.............................................................................. 126 Singh S.P., Hirwani C.K. Free vibration and mechanical behavior of treated woven jute polymer composite............................................................................................................................................................ 137 EDITORIALMATERIALS 152 FOUNDERS MATERIALS 163 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 126 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Синтез интерметаллидов системы Ti–Fe из смесей элементарных порошков Геннадий Прибытков a, *, Антон Барановский b, Виктория Коржова c, Ирина Фирсина d, Владимир Кривопалов e Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, Томск, 634055, Россия a https://orcid.org/0000-0002-8267-971X, gapribyt@mail.ru, b https://orcid.org/0000-0001-8800-4716, nigalisha@gmail.com, c https://orcid.org/0000-0003-0835-9264, vicvic5@mail.ru, d https://orcid.org/0000-0003-2253-0582, iris1983@yandex.ru, e https://orcid.org/0009-0003-3224-1749, krivopalov@ispms.tsc.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2023 Том 25 № 3 с. 126–136 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.3-126-136 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение На равновесной диаграмме железо – титан имеются два интерметаллических соединения: Fe2Ti и FeTi (рис. 1). Из интерметаллидов системы железо – титан наиболее подробно исследован монотитанид железа FeTi. Это соединение ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК554.332-971.2+661.88 История статьи: Поступила: 10 мая 2023 Рецензирование: 23 мая 2023 Принята к печати: 21 июня 2023 Доступно онлайн: 15 сентября 2023 Ключевые слова: Порошковые смеси Механоактивация синтеза Тепловой взрыв Интерметаллиды железо – титан Фазовый состав Энтальпия образования соединений Финансирование Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 23-2900106): «In situ синтез металломатричных композитов с субмикронной карбидной упрочняющей фазой». Благодарности Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнауки № 13.ЦКП.21.0034). АННОТАЦИЯ Введение. Интерметаллические соединения Fe2Ti и FeTi находят практическое применение в качестве аккумуляторов водорода (FeTi) или в качестве магнитных материалов (Fe2Ti). Из-за особенностей двойной равновесной диаграммы получение этих интерметаллидов литьем затруднено, поэтому широко используются методы порошковой металлургии в сочетании с предварительной механоактивацией порошковых смесей. Цель работы: исследовать возможность получения однофазных соединений из порошковых смесей титана и железа целевых составов. Методы исследования. Механоактивированные порошковые смеси, продукты горения и последующего отжига исследовали методами рентгенофазового анализа, оптической металлографии и растровой электронной микроскопии с определением элементного состава методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. Методика исследования. Порошковые смеси в течение 20 минут подвергали механоактивации в планетарной мельнице Activator 2S при интенсивности 40g и соотношении шары/смесь, равном 20. Механоактивированные смеси нагревали в герметичном реакторе в среде аргона со средней скоростью 85 град/мин. Результаты и обсуждение. При температуре около 500 °С на термограммах с термопар, помещенных в механоактивированную смесь, появлялся резкий подъем (тепловой взрыв), свидетельствующий об экзотермической реакции в смеси. Величина подъема для состава 2Fe+Ti оказалась значительно больше, чем для состава Fe+Ti. Рентгеноструктурный анализ показал, что основным продуктом реакции для обеих смесей является соединение Fe2Ti. Преимущественное образование Fe2Ti, так же как бóльший тепловой эффект в смеси состава 2Fe+Ti, объясняется бóльшей отрицательной энтальпией образования Fe2Ti по сравнению с FeTi (–87,45 и –40,58 ккал/моль соответственно). Выводы. Высокотемпературные гомогенизирующие отжиги продуктов теплового взрыва с целью получения однофазных целевых продуктов не дали положительного результата. Содержание побочных фаз и непрореагировавших реагентов мало изменилось после отжигов. На основании полученных результатов сделан вывод о том, что термодинамический фактор (энтальпия образования интерметаллида) является основным фактором, определяющим фазовый состав продуктов синтеза в порошковых смесях титана и железа. Для цитирования: Синтез интерметаллидов системы Ti–Fe из смесей элементарных порошков / Г.А. Прибытков, А.В. Барановский, В.В. Коржова, И.А. Фирсина, В.П. Кривопалов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 3. – С. 126–136. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.3-126-136. ______ *Адрес для переписки Прибытков Геннадий Андреевич, д.т.н., главный научный сотрудник, доцент Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, 634055, Томск, Россия Тел.: +7 (913) 860-04-49, e-mail: gapribyt@mail.ru
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 127 MATERIAL SCIENCE Рис. 1. Равновесная диаграмма железо – титан Fig. 1. Phase diagram of the Fe-Ti system известно как перспективный материал – аккумулятор водорода. По водородной емкости, способности переходить в активное в отношении сорбции водорода состояние, кинетическим характеристикам сорбции – десорбции и циклической стабильности он уступает наиболее перспективным магниевым сплавам и сплавам редкоземельных металлов [1]. Однако благодаря невысокой стоимости сырья продолжаются попытки получить материал с улучшенными сорбционными характеристиками. При этом в качестве сырья используют порошки железа и титана, а в качестве способа получения материала – механическую активацию (МА) синтеза в процессе длительной обработки порошковой смеси в планетарных мельницах. Интенсивные исследования поведения порошковых смесей железо – титан при механоактивации проводятся с начала 2000-х годов. Было обнаружено [2], что при длительной (до 92 часов) обработке смесей в магнитной вибромельнице SpexMixer/MillModel 8000 происходит полная аморфизация титана и железа. Образования интерметаллических соединений при этом не наблюдалось. Обширные исследования сорбционных свойств материалов, полученных механоактивацией порошковых смесей железа и титана, выполнены А.В. Задорожным с сотрудниками [3–8]. Для механоактивации использовали планетарную мельницу АГО-2S, обработку вели в среде аргона при скорости вращения 840 об/мин. Фазовый состав продуктов механосинтеза зависел от дисперсности порошков титана и железа. При использовании крупных порошков (280 и 450 мкм) и времени обработки 120 минут образования интерметаллидов не наблюдалось [3]. При использовании мелкого (5–10 мкм) порошка титана продукт обработки эквиатомной смеси в течение 30 минут при той же интенсивности (840 об/мин) состоял из однофазного FeTi [8]. Такой результат не согласуется с результатами работы [2], в которой интерметаллид не образовывался даже после 92-часовой обработки в мельнице SpexMixer/ Millmod 8000. Авторы [8] объясняют причину такого несоответствия малой интенсивностью МА в мельнице, использованной в [2]. Образцы из спрессованного однофазного порошка FeTi с нанокристаллической структурой в процессе термоциклирования в среде водорода сохраняют форму и не разрушаются благодаря образованию мостиков, скрепляющих смежные частицы [4, 7]. С целью улучшения сорбционных свойств FeTi, полученного интенсивной МА, в смесь титана и железа вводили различные порошковые добавки: 20 ат. % Al или 6 ат. % Cr [6]; 1 ат. % S или 2 ат. % Mg [5]. Показано, что эти добавки улучшают сорбционные характеристики: упрощение процедуры активации поглощения водорода, уменьшение давления участка плато. Как следует из краткого обзора [9], сплавы для хранения водорода на основе магния и редкоземельных металлов, так же как FeTi, имеют улучшенные сорбционные характеристики в нанокристаллическом состоянии. Наряду с механоактивацией для получения нанокристаллических интерметаллидов системы железо – титан предпринимаются попытки использовать другие способы, в частности интенсивную пластическую деформацию порошковых смесей в наковальне Бриджмена [10]. Для создания нанокристаллической структуры представляется перспективным интенсивный помол порошка соединения FeTi, предварительно полученного литьем или по порошковым технологиям. Наиболее технологически простым способом получения интерметаллидов является синтез в порошковых смесях железо – титан составов, соответствующих двойным интерметаллидам [11, 12]. Этот синтез может реализоваться либо непосредственно в процессе механоактивации [12], либо при последующей инициации реакции в механоактивированных смесях [13, 14]. В работе [15] соединения FeTi и Fe2Ti были полу-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 128 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ чены из порошковых смесей соответствующих составов. Поскольку смеси не подвергались предварительной механоактивации, то инициировать синтез в волновом режиме удалость только с предварительным подогревом прессовок до температур выше 700 °С. В работе [16] смеси, соответствующие составам двойных интерметаллидов, подвергали кратковременной (до 10 минут) интенсивной МА с последующим быстрым (около 300 град/мин) нагревом. Реакция синтеза в режиме теплового взрыва инициировалась в интервале 450–500 °С в зависимости от времени МА и состава смесей. В работе [17] смесь Fe – 20 % Ti обрабатывали в течение 4 и 20 минут в планетарной мельнице при интенсивности, близкой к использованной в [16]. Образования интерметаллидов не обнаружили даже при отжиге МА-смеси при температуре 500 °С. Возможная причина различия результатов работ [16] и [17] – разная скорость нагрева МА-смесей. При быстром нагреве не происходит отравления реакционной поверхности продуктами реакционной диффузии на стадии медленного нагрева до температуры отжига и реакция синтеза проходит в режиме теплового взрыва. Таким образом, проблема отработки технологических режимов механоактивации порошковых смесей и последующего синтеза однофазных интерметаллидов системы титан – железо остается нерешенной. В настоящей работе была поставлена задача исследовать фазовый состав продуктов синтеза в механоактивированных порошковых смесях титана и железа, а также выяснить возможность получения однофазных двойных интерметаллидов. Были использованы два состава, соответствующие соединениям FeTi и Fe2Ti. Интерметаллид Fe2Ti также представляет практический интерес как материал, обладающий магнитными свойствами [18]. Методика исследований Реакционные смеси готовили из порошка титана дисперсностью меньше 160 мкм и порошка железа дисперсностью меньше 5 мкм. Морфология порошков приведена на рис. 2. Навески порошков массой по 15 г смешивали 4 часа в смесителе и помещали в барабаны планетарной мельницы Activator 2S. Для предотвращения налипания порошков на шары и стенки в каждый барабан вводили по 0,5 см3 спирта. Механоактивацию проводили при скорости вращения барабанов 755 об/мин (центробежное ускорение 40g). Соотношение масс шаров диаметром 6 мм и реакционной смеси было равно 20. Суммарное время механоактивации для всех смесей было постоянным – 20 минут. Для предотвращения перегрева через 10 минут вращение останавливали на 10 минут для охлаждения барабанов проточной водой. Механоактивированные смеси засы- а б Рис. 2. PЭМ-изображения морфологии исходных порошков: а – железо ВМ* (слева – в обратно-рассеянных электронах, справа – во вторичных электронах); б – титан ТПП-8** Fig. 2. SEM images of the initial powders morphology: a – VM iron* (left side of the photo – back scattered electron image (BSE), right one – secondary electron image (SE)); б – TPP-8 titanium** * ТУ 6-09-2227-81 «Железо металлическое восстановленное» / ТC 6-09-2227-81 «Reduced metallic iron» ** ТУ 1791-449-05785388-99 «Титан пористый, порошок» / ТC 1791-449-05785388-99 «Titanium sponge powder»
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 129 MATERIAL SCIENCE пали в цилиндрические титановые контейнеры, слегка уплотняли и помещали в герметичный реактор, конструкция которого описана в [19]. Реактор, непрерывно продуваемый аргоном c расходом 4 л/мин, опускали в печь, предварительно разогретую до 800 °C. Изменение температуры регистрировали автоматически двумя термопарами. Спай одной из термопар был закреплен на внешней стенке реактора и теплоизолирован от теплового излучения печи слоем асбеста. Спай другой термопары помещали в контейнер с реакционной смесью. На автоматически записанных кривых изменения температуры образца регистрировали температуру зажигания Тign и максимальную температуру горения Тmax Реактор вынимали из печи после выравнивания температур реактора и образца, которое наступало через 2–4 минуты после прохождения температурного пика, и охлаждали на воздухе. Часть образцов отжигали в вакууме 0,01 Па с вариацией температуры и времени отжига. Механоактивированные порошковые смеси, продукты горения и последующего отжига исследовали на оборудовании Центра коллективного пользования «Нанотех» ИФПМ СО РАН методом рентгенофазового анализа (дифрактометр ДРОН-7, «Буревестник», Россия). Идентификацию фаз по результатам рентгеноструктурного анализа проводили с применением базы рентгеновских данных ASTM, а обработку первичных результатов – с использованием программ RENEX и PDWIN. Результаты и их обсуждение На рис. 3 приведены термограммы нагрева МА-смесей двух составов со средней скоростью 85 ± 5 град/мин и производные от температуры по времени (скорость увеличения температуры смесей). Видно, что при 500–530 °С происходит скачкообразное повышение температуры как следствие самовоспламенения, т. е. реакция Рис. 3. Термограммы нагрева (а, б) и скорости изменения температуры (в, г) механоактивированных порошковых смесей составов 2Fe+Ti (а, в) и Fe+Ti (б, г): 1 – температура образца; 2 – температура наружной стенки реактора Fig. 3. Heating thermographs (a, б) and temperature change rates (в, г) of mechanically activated powder mixtures 2Fe+Ti (а, в) and Fe+Ti (б, г): 1 – the sample temperature; 2 – temperature of the outer surface of the reactor а б в г
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 130 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Рис. 4. Рентгенограммы механоактивированных смесей (1) и продуктов теплового взрыва (2) в смесях составов Fe+Ti (а) и 2Fe+Ti (б) Fig. 4. X-ray patterns of mechanically activated mixtures (1) and thermal explosion products (2) in Fe+Ti (a) and 2Fe+Ti (б) mixtures а б идет в режиме теплового взрыва (ТВ) (рис. 3, а, б). Длительность нагрева до самовоспламенения составляла 6–7 минут. Скорость подъема температуры после воспламенения и пиковое значение для смеси состава 2Fe+Ti оказалось значительно выше (рис. 3, а, в), чем для смеси эквиатомного состава (рис. 3, б, г). Причиной является вдвое большая отрицательная величина энтальпии образования соединения Fe2Ti по сравнению с таковой для FeTi: –87,45 и –40,58 ккал/моль соответственно [20]. Согласно результатам рентгенофазового анализа (рис. 4, табл. 1) в результате 20 минут обработки смесей при выбранной интенсивности фазовый состав смесей остается неизменным, т. е. механосинтеза интерметаллидов не проходит. В продуктах теплового взрыва определяется небольшое (на уровне чувствительности метода) содержание интерметаллидов. При этом соединение Fe2Ti присутствует также и в продуктах горения состава Fe+Ti в количестве, примерно равном содержанию целевого соединения FeTi. Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Фазовый состав механоактивированных смесей и продуктов теплового взрыва Phase composition of the mechanically activated (MA) mixtures and the thermal explosion (TE) products Состав смеси / Mixture composition Обработка смеси / Mixture treatment Объемное содержание фаз, % / Volume content of phases, % Fe (6-696) Ti (5-682) FeTi (19-636) Fe2Ti (15-336) Fe+Ti МА MA 70,7 29,3 – – Fe+Ti МА + ТВ MA + TE 71,4 12,9 6,6 9,1 2Fe+Ti МА MA 75,1 18,7 – 6,2 2Fe+Ti МА + ТВ MA + TE 72,0 23,1 – 4,9
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 131 MATERIAL SCIENCE Этот факт согласуется с термограммами теплового взрыва (рис. 3). По-видимому, именно образование Fe2Ti, обладающее большой отрицательной энтальпией, является причиной слабо выраженного теплового взрыва в смеси состава Fe+Ti. Поскольку синтез в условиях теплового взрыва в МА-смесях дает незначительный объем целевых продуктов, то порошковые смеси обоих составов (в том числе без предварительной МА), а также продукты теплового взрыва были отожжены в вакууме с целью установить технологические режимы (температуру и время), обеспечивающие максимальный выход целевых продуктов. Результаты определения фазового состава после отжигов приведены в табл. 2. Из-за наложения линий разных фаз количественное определение содержания фаз затруднено, поэтому в таблице указаны ориентировочные данные, из которых однозначно следует, что интерметаллид Fe2Ti является основной фазой во всех случаях независимо от состава смесей и режима термообработки. Однако добиться однофазного состояния Fe2Ti в отожженных механоактивированных смесях 2Fe+Ti нам не удалось. После отжига остается значительное количество непрореагировавшего железа, что можно объяснить достаточно широкой областью гомогенности соединения Fe2Ti (рис. 1). В отожженных смесях состава Fe+Ti фаза Fe2Ti также является основной, в то время как содержание целевой фазы FeTi не превышает 7,9 %. Мы предположили, что одной из причин многофазности продуктов отжигов может быть то, что механоактивированные смеси отжигались в свободной насыпке. Чтобы увеличить удельную реакционную поверхность, механоактивированные смеси прессовали, а прессовки подвергали высокотемпературному диффузионному отжигу при таком же режиме, как и смеси в свободной насыпке. Т а б л и ц а 2 Ta b l e 2 Фазовый состав механоактивированных смесей после дополнительного отжига в вакууме в зависимости от степени уплотнения Phase composition of mechanically activated mixtures after additional annealing in vacuum depending on the degree of compaction Состав смеси / Mixture composition Режимы уплотнения и термообработки МА-смеси / Modes of compaction and heat treatment of MA mixture Объемное содержание фаз, % / Volume content of phases, % Уплотнение / Compaction Термообработка / Heat treatment Fe2Ti (15-336) FeTi (19-636) Fe (6-696) Ti (5-682) TiN0.9 (31-1403) ? 2Fe+Ti Свободная насыпка / Loose mixture 1000 °С, 1 час / 1000 °С, 1 hour 73,3 2,2 24,5 – – – 1150 °С, 2 часа / 1150 °С, 2 hours 74,5 4,8 20,7 – – – 1250 °С, 2 часа / 1250 °С, 2 hours 73,2 3,1 23,7 – – – Прессовка / Compacted sample 1250 °С, 2 часа / 1250 °С, 2 hours 84 – 16 – – Fe+Ti Свободная / насыпка Loose mixture 1000 °С, 1 час / 1000 °С, 1 hours 89,5 7,9 – 0,7 – 1,9 1150 °С, 2 часа / 1150 °С, 2 hours 83,4 4,5 – – 7,4 4,7 1250 °С, 2 часа / 1250 °С, 2 hours 84,0 1,1 – 6,8 4,5 1,6 Прессовка / Compacted sample 1250 °С, 2 часа / 1250 °С, 2 hours 85 15 – – – –
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 132 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Фазовый состав отожженных прессовок (табл. 2) отличается от фазового состава смесей в свободной насыпке отсутствием неустановленных фаз, непрореагировавшего титана и нитрида титана, небольшое содержание которых определяется в отожженных смесях. Однако качественных изменений фазового состава не произошло. Интерметаллид Fe2Ti остался основной фазой в прессовках обоих составов. При этом содержание целевых фаз увеличилось за счет уменьшения содержания непрореагировавшего железа (для состава 2Fe+Ti) и побочных фаз (для состава Fe+Ti). Выводы В механоактивированных порошковых смесях составов, соответствующих двойным интерметаллидам Fe2Ti и FeTi, при нагреве идут экзотермические реакции, вызывающие подъем температуры и образование небольшого количества интерметаллидов. При использованных в работе режимах механоактивации смесей и последующего отжига не удается получить однофазные интерметаллиды. Преимущественное образование соединения Fe2Ti объясняется термодинамическим стимулом: отрицательная энтальпия образования Fe2Ti вдвое больше, чем у соединения FeTi. Список литературы 1. Sandrock G. A panoramic overview of hydrogen storage alloys from a gas reaction point of view // Journal of Alloys and Compounds. – 1999. – Vol. 293–295. – P. 877–888. – DOI: 10.1016/S0925-8388(99)00384-9. 2. Delogu F., Cocco G. Compositional eff ects on the mechanochemical synthesis of Fe–Ti and Cu–Ti amorphous alloys by mechanical alloying // Journal of Alloys and Compounds. – 2003. – Vol. 352, iss. 1. – P. 92–98. – DOI: 10.1016/S0925-8388(02)01109-X. 3. Zadorozhnyi V.Yu., Skakov Yu.A., Milovzorov G.S. Appearance of metastable states in Fe–Ti and Ni–Ti systems in the process of mechanochemical synthesis // Metal Science and Heat Treatment. – 2008. – Vol. 50, iss. 7. – Р. 404–410. – DOI: 10.1007/s11041-008-9078-4. 4. Hydrogen storage nanocrystalline TiFe intermetallic compound: synthesis by mechanical alloying and compacting / V. Zadorozhnyy, S. Klyamkin, M. Zadorozhnyy, O. Bermesheva, S. Kaloshkin // International Journal of Hydrogen Energy. – 2012. – Vol. 37, iss. 22. – P. 17131–17136. –DOI: 10.1016/j.ijhydene.2012.08.078. 5. Mechanical alloying of nanocrystalline intermetallic compound TiFe doped with sulfur and magnesium / V.Yu. Zadorozhnyy, S.N. Klyamkin, M.Yu. Zadorozhnyy, M.V. Gorshenkov, S.D. Kaloshkin // Journal of Alloys and Compounds. – 2014. – Vol. 615. – P. S569– S572. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.12.144. 6. Mechanical alloying of nanocrystalline intermetallic compound TiFe doped by aluminum and chromium / V.Yu. Zadorozhnyy, S.N. Klyamkin, M.Yu. Zadorozhnyy, O.V. Bermesheva, S.D. Kaloshkin // Journal of Alloys and Compounds. – 2014. – Vol. 586. – P. S56– S60. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.01.138. 7. Eff ect of mechanical activation on compactibility of metal hydride materials / V.Yu. Zadorozhnyy, S.N. Klyamkin, M.Yu. Zadorozhnyy, D.V. Strugova, G.S. Milovzorov, D.V. Louzguine-Luzgin, S.D. Kaloshkin // Journal of Alloys and Compounds. – 2017. – Vol. 707. – P. 214–219. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.11.320. 8. Preparation and hydrogen storage properties of nanocrystalline TiFe synthesized by mechanical alloying / V.Yu. Zadorozhnyy, G.S. Milovzorov, S.N. Klyamkin, M.Yu. Zadorozhnyy, D.V. Strugova, M.V. Gorshenkov, S.D. Kaloshkin // Progress in Natural Science: Materials International. – 2017. – Vol. 27, iss. 1. – P. 149–155. – DOI: 10.1016/j.pnsc.2016.12.008. 9. Zaluski L., Zaluska A., Ström-Olsen J.O. Nanocrystalline metal hydrides // Journal of Alloys and Compounds. – 1997. – Vol. 253–254. – P. 70–79. – DOI: 10.1016/S0925-8388(96)02985-4. 10. Dobromyslova A.V., Taluts N.I. Mechanical alloying of Ti–Fe alloys using severe plastic deformation by high-pressure torsion // Physics of Metals and Metallography. – 2018. – Vol. 119, N 11. – P. 1127–1132. – DOI: 10.1134/S0031918X18110030. 11. Рогачев А.С., Мукасьян А.С. Горение для синтеза материалов: введение в структурную макрокинетику. – М.: Физматлит, 2013. – 399 с. – ISBN 978-59221-1441-7. 12. Григорьева Т.Ф., Баринов А.П., Ляхов Н.З. Механохимический синтез интерметаллических соединений // Успехи химии. – 2001. – Т. 70 (1). – С. 52–71. 13. Аввакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов. – Новосибирск: Наука, 1986. – 303 с. 14. Ляхов Н.З., Талако Т.Л., Григорьева Т.Ф. Влияние механоактивации на процессы фазо- и структурообразования при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе. – Новосибирск: Параллель, 2008. – 168 с. 15. Прибытков Г.А., Семенова А.А., Итин В.И. Синтез в режиме горения интерметаллидов системы железо – титан // Физика горения и взрыва. – 1984. – № 5. – С. 21–23.
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1