Перспективные способы консолидации порошков. Лекция 4

1.

Лекция 4
План лекции
Перспективные
способы консолидации
порошков
1

2. Компактирование порошков/ нанопорошков

• Наиболее распространенный способ
получения объёмного
структурированного материала прессование /спекание под
давлением.
2

3. В современной порошковой металлургии

• Порошки металлов помещают в закрытый
металлический сосуд;
• прессуют под высоким давлением 200-300МПа
• Отжигают для получения материала с
заданной пористостью и прочностью/
Спекание частиц с образованием механически
прочного конечного материала

4. Для прессования порошков/нанопорошков используют:

• Статическое
• Динамическое
• Взрывное давление
• Метод прокатки
• Экструзию
• Выбор метода
обусловлен свойствами
материала, который надо
получить:
- твердость, прочность,
коррозионная стойкость,
наличие и размер пор и т.д.
а также свойствами самого
порошка:
- средний размер и форма
частиц, содержание
примесей и т.д.
4

5. Схемы процессов компактирования НП

а – одноосное сжатие
б – всестороннее сжатие
в – прокатка
г – экструзия
1- пуассон;
2 – порошок;
3 – фильера;
4 – эластичная оболочка
5 – вал прокатного стана
5

6. Спекание НП под давлением.

Для метал. порошка
• Предварительно прессуют
заготовку плотность 30-40%
• Нагрев до Т восстановления
оксидов с выдержкой
• Прикладывают давление для
достижения теоретической
плотности
6

7.

• С уменьшением
размера частиц
давление прессования,
необходимое для
достижения заданной
плотности компактов,
увеличивается.
• При размере частиц
меньше критического
частицы становятся
бездислокационными,
соответственно
возрастает давление,
необходимое для их
деформирования.
НП железа
• С увеличением давления
прессования до 400МПа :
• температура спекания , при
которой отсутствует
пористость, уменьшается
от 700 до 350°С;
• Размер зерен от 1,2мкм до
80 нм
7

8. Метод статического прессования

• Качество материала невысокое.
• Недостатки:
• Остаточные поры (пустоты),
обусловливающие снижение
плотности материала;
• Неоднородность материала.
8

9. Для получения высокоплотных однородных материалов используют:

всестороннее(изостатическое) прессование:
гидростатическое;
газостатическое;
квазигидростатическое (в специальных пресс формах под высоким давлением)
∆Применение квазигидростатического прессования
позволяет повысить плотность прессовок по
сравнению с одноосным.
9

10. ГИП

• Методами горячего изостатического
прессования получены компакты из
НП
• Ni, Fe и WC с повышенными
прочностными свойствами.
10

11. Методы интенсивной пластической деформации (ИПД)

• Обжатие с большими степенями
деформации
• При относительно низких
температурах (< 0,3-0,4 Тпл) в
условиях высоких приложенных
давлений
• Объемные НК металлы и сплавы.
11

12.

12

13. Обычные Нетрадиционные

• Прокатка
• Волочение
• Прессование
• Позволяют
деформировать
заготовку без
изменения сечения и
формы
- Приводят к
уменьшению
поперечного размера
- Не позволяют
достигать больших
степеней измельчения
• Достигать
необходимых высоких
степеней деформации
и измельчения зерна.
13

14. Наноструктура Свойства получена

Наноструктура
получена
• алюминий
• Железо
• Магний
• Вольфрам
• Никель
• Титан
• их сплавы
Свойства
• Значительное
повышение
прочности при
сохранении
пластичности
• Повышена
износостойкость
• Появление
сверхпластичности
14

15.

Эти методы позволяют
получать объемные
безпористые металлические
наноматериалы.
размеро зерен материалов, как
правило, составляет все же
более 100 нм.
Структура отличается сильной
неравновесностью из-за малой
плотности свободных
дислокаций и
преимущественно
большеугловом характере
границ зерен.
Поэтому для обработанных
изделий применяют
дополнительную
термообработку или
дополнительное пластическое
деформирование при
повышенных температурах и
большой степени деформации
Объемные заготовки из
наноструктурного титана
15

16.

Линейные дефекты
• Дислокация - смещение
• Дислокации –особый вид линейных
несовершенств в кристаллической решетке,
нарушающих правильное чередование атомных
плоскостей.
• Возникают в результате деформации сдвига
• Важнейшие виды линейных несовершенств –
краевые и винтовые дислокации.
16
16

17.

•Границы между зернами
называется называются
большеугловыми, когда
кристаллографические
направления в соседних
зернах образуют углы,
достигающие десятки
градусов.
•Каждое зерно состоит из
отдельных субзерен,
разориентированных друг
относительно друга на
угол взаимной
разориентации не более 5малоугловые границы.
17

18. Динамические методы

• Метод магнитно-импульсного
прессования позволяет повысить
плотность компактов
• Метод ультразвукового компактирования –
повышает равномерность плотности
прессовок.
18

19. Метод магнитно-импульсного прессования (МИП)

- Преобразование энергии ёмкостного накопителя в
кинетическую энергию пресс-инструмента,
совершающего работу по сжатию НП.
- характеризуется мягкими импульсными волнами
сжатия в порошках с амплитудой до 2 ГПа
(многократное использование) и длительностью
~10-500мкс/Метод позволяет генерировать и более
высокие импульсные давления (10ГПа), но при
однократном использовании пресс- инструмента.
- Мягкие импульсы – эффективны для уплотнения
НП размерами <100нм
19

20. Преимущества

• Высокое импульсное давление
способствует силовому уплотнению наночастиц
• Влияние большого механического импульса
прессовки с более высокой плотностью.
• Значительный импульсный нагрев
улучшает прессуемость и стимулирует структурно-фазовые
превращения
• Импульсное прессование НП может проводиться при
Т= 500°С в условиях вакуума после термической
дегазации, обеспечивающей удаление адсорбированных
веществ с поверхности.
20

21. Принцип действия плоского (одноосного) МИП

• При пропускании
разрядного тока i
накопителя через индуктор
в зазоре между ним и
концентратором создается
импульсное поле В,
индуцирующее ток
плотностью j в проводящей
поверхности концентратора.
• Результирующая
импульсная сила fm
приводит в движение
пуассон, сжимающий
порошок в матрице.
21

22.

• Для прессования длинномерных
заготовок в форме труб или стержней
отработана техника магнитноимпульсного сжатия тонкостенных
медных трубчатых оболочек.
22

23. Метод взрывного прессования

В установке синтеза нитрида
кремния и карбонитрида бора
была использована плоская
ампула сохранения из меди
/стали.
Ударное нагружение
осуществлялось ударом
пластин из дюралюминия,
ускоренными взрывом до
5,3…3,4 км/с
После нагружения ампула
сохранения вскрывалась,
продукт отмывался в азотной
кислоте для удаления меди и
остатков ампулы, промывался
водой и высушивался.
1- образец; 2 – ампула сохранения;
3 – основной заряд ВВ; 4 – ударник;
5 – отрезки детонационного шнура;
6 – поддерживающий заряд.
23

24.

• Электронная микроскопия
показала:
Формируется наноструктура,
присутствуют как
кристаллические, так и
аморфные области. Есть
трещины.
Т.е. эффективность невысокая
• Эффективность взрывных
методов пока невысокая.
• Наноматериал имеет
высокую неоднородность
• Склонен к образованию
трещин
• Внутренние напряжения, что
провоцирует рост зерна
24

25. Задание

• Волкогон Г.М. и др. Современные процессы
порошковой металлургии: учебное пособие/- Москва;
Вологда: Инфра-Инженерия, 2020.- 208.
Проработать
раздел 5.1- Традиционные методы спекания;
Раздел 5.2 – Современные технологии спекания

26. Рекомендуемая литература

1.
Волкогон Г.М. и др. Современные процессы
порошковой металлургии: учебное пособие/Москва;Вологда: Инфра-Инженерия, 2020.- 208.
2. Григорьев С.Н.Технологии нанообработки:
учебное пособие-Старый Оскол:ТНТ.2010.320с.
3. Гиршов и др. Современные технологии в
порошковой металлургии: учебное пособие –СПетербург; изд-во Политехнического
университета. 2010.-387с.

27.

27