rus ...  eng
OOO НПП “ Кермет-Украина ”
На главную
О компании
Разработки и статьи
Контакты
Продкуция

Разработки и статьи

Статья от 01.06.2010

 

• 01.06.2010 • Статья в журнале "Сверхтвердые материалы" (Выпуск №6, год 2010)

УДК 620.22.66.067.124


Кислый П.С., Геворкян Э.С., Шкуропатенко В.А., Гуцаленко Ю.Г.


ПОЛУЧЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ ИЗ НАНОПОРОШКОВ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ КОНСОЛИДАЦИИ.

 


Investigated  the problem of a alumina nanopowder hot pressing. The calculated mechanism of densification this nanopowders under influence of the hot pressing temperature. Influense  of hot pressing parameters  of composite materials on a basis of nanodispersed and submicron powders alumina. The kinetics of nanograin growth has been investigated and mechanisms alumina, the laws of change of structure dispersity in dependence of sintering hot pressing parameters .

Введение

 

Получение наноструктурных материалов из нанопорошков является сложной задачей в связи с тем, что в процессе консолидации происходит рост частиц и размер зерен выходит за пределы 100 нм. Решение этой проблемы  является одной из задач современных исследований и целью настоящей работы. В настоящее время  существуют различные эффективные методы консолидации  нанопорошков, которые позволяют получить материалы с наноразмерной структурой. Эти методы, такие как горячее изостатическое прессование (HIP), спекание высокочастотным индукционным нагревом (HFJHS), быстрого компактирования (ROC), спекание в пульсирующей плазме (PPS),сверхвысокого скоростного горячего прессования (UPRC) достаточно хорошо и полно описаны в работах [1-5]. Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки для спекания моно и полидисперсных электропроводящих и электроизоляционных нанопорошков. Так широко применяемый в настоящее время SPS (Spark Plasma Sintering) метод позволяет получить наноструктурные материалы из тугоплавких соединений, как например, Al2O3, SiC, В4С, MoSi2 [6]. Особенностью данного метода является использование кратковременных импульсных токов в процессе горячего прессования (рис.1).  

 

рис.1

Рис.1 Схема установки горячего прессования методом SPS[1].

1 – верхний пуансон ;2 – медный токоподвод ;3 – графитовая форма ;4 – нижний пуансон ;5 – вакуумная камера ;6 – генератор импульсных токов .


В описанной выше установке удается избежать быстрого роста нанозерен за счет большой скорости нагрева. Процесс плазменного спекания начинается с прессования порошкового материала под давлением. Сначала пресс-форма быстро нагревается током 5000-10000 А, а затем с помощью  генератора постоянного тока подается электрический импульс большой мощности, под воздействием которого на участках образования контактных перешейков между частицами спекаемого материала концентрируется энергия высокой плотности, инициируя спекание. Метод обеспечивает пространственную точность прессовки и высокую однородность получаемого материала. Следует отметить, что метод  SPS пока единственный из выше перечисленных методов, который имеет широкое промышленное применение. Все остальные методы находятся пока на стадии экспериментальных. С этой точки зрения  разработанная нами установки конструктивно проще для промышленного использования  тем, что нет необходимости в использовании специального дорогостоящего импульсного генератора как в случае метода SPS.


Экспериментальная часть.


В разработанном нами методе консолидации нанопорошков тугоплавких соединений при горячем прессовании используются переменные токи     1500-2000 А при напряжении 5-10 В.

При помощи данной установки одним из авторов данной статьи  был получен материал из нанопорошков монокарбида вольфрама, который  нашел применение в качестве инструментального [8].Однако немалый интерес представляет исследование и другого наиболее часто используемого инструментального материала как оксид алюминия.

Для изготовления керамических образцов использовались монодисперсные  порошки оксида алюминия Al2O3 дисперсностью 7 мкм, 0,6 мкм и 0.056 мкм. Структурные исследования исходных порошков и изломов горячепрессованных образцов проводились методом растровой электронной микроскопии (JSM-840). Микрофотографии порошков представлены на рис.3. Плотность образцов определялась методом гидростатического взвешивания в воде. 

  
3а 3б 3в

Рис.3 Исходные порошки А12О3: а) 0.056 мкм, б) 0.6 мкм, в) 7мкм

 

Из подготовленных порошков предварительно прессовали заготовки диаметром 20мм и весом 4 г. Для горячего прессования в качестве пресс-формы использовался графит МПГ-7, обеспечивающий необходимую прочность при максимальном давлении 45-50 МПа. При данном давлении определялась температура начала и конца усадки специальным датчиком, время выдержки составляло 2 минуты.


Результаты и их обсуждение


Основные результаты исследования: размеры исходных порошков, значения достигнутой плотности и размеры зерен после проведения горячего прессования порошков А12О3 при прямом пропускании переменного электрического тока приведены в таблице 1


Таблица 1


Размеры частиц исходных нанопорошков А12О3, параметры процесса гарячего прессования, относительная плотность и размеры зерен полученных образцов.

N

Исходный

порошок,

мкм

Т мах, 0С

Т начала

усадки, 0С

Т конца

усадки,  0С

ρ/ρтеор

Размер

зерна, мкм

1

6-7

1380

1100

-

0,965

8-10

2

6-7

1200

1100

-

0,71

7-8

3

0,6-0,7

1350

1000

1280

0,98

1-2

4

0,6-0,7

1380

1000

1280

0,99

1-2,5

5

0,6-0,7

1220

1000

-

0,825

1-1,5

6

0,6-0,7

1110

1000

-

0,76

0,8-1,2

7

0,056-0,06

1250

800

1150

0,995

0.09-0,2

8

0,056-0,06

1150

800

-

0,994

0,08-0,1

9

0,056-0,06

1130

800

-

0,993

0,08-0,1


Экспериментальные зависимости изменения плотности от температуры при прессовании с усилием 45МПа в течение 2 мин образцов с различными исходными размерами порошков представлены на рис.4.


таб

Рис.4 Зависимость относительной плотности образцов от температуры прессования
(45 МПа, 2 мин.).

Плотность увеличивается с увеличением температуры прессования для всех образцов. Для всех температур прессования плотность образцов растет с уменьшением размеров исходных порошков. При этом образцы с размерами порошков <0.06 мкм достигли практически теоретической плотности за 2 минуты при температуре 1130ºС, в то время как образцы А12О3, исходные размеры порошков которых составляли, соответственно, 0.6 и 7 мкм достигли плотности близкой к 100% при 1400ºС.

Микроструктура изломов образцов с разными исходными размерами порошков на различных стадиях уплотнения представлена на рис 5. Во всех образцах при высоких уплотнениях наблюдаются большие зерна. Очевидно, что рост зерен существенно увеличивается с увеличением относительной плотности.  


5


Рис. 5 Микроструктура образцов А12О3 с разными исходными размерами порошков, спрессованных с усилием 45МПа, длительность 2 мин.  а)  0.056 мкм при Т=1130º С, ρ/ρтеор=0.994; б) 0.056 мкм  при Т=1250º С, ρ/ρтеор=0.995; в) 0.6 мкм при  Т=1380º С, ρ/ρтеор=0.99; г) 7 мкм при Т=1380º С, ρ/ρтеор=0.965

 


 

Зависимости между размерами зерен и относительной плотностью всех исследуемых образцов представлены на рис.6. Как видно из рисунка, для всех образцов характерен рост зерен с увеличением плотности. Однако, в то время как зависимость роста зерен с уплотнением для образцов с размерами порошка 0,6 и 7 мкм носит монотонный характер, для образцов с нанопорошков 0,056 мкм наблюдается резкий рост размеров зерен при уплотнениях близких к 100% плотности. При этом усадка для горячего прессования с прямым пропусканием переменного электрического тока нанопорошков наблюдается при температурах на 200 и 300ºС ниже (табл.1), чем при прессовании порошков, соответственно, 0,6 и 7 мкм. 

 

6


Рис.6 Изменение размеров зерен с уплотнением при горячем прессовании образцов с  различными размерами частиц: а) 0.056 мкм, б) 0.6 мкм, в) 7 мкм

 

Для получения  этих результатов необходимо во-первых использовать горячее прессование с контролируемой скоростью нагрева, более медленное повышение температуры до 300о С (полная дегазация) и увеличение скорости нагрева с 300о до 1150оС, во-вторых необходимо вводить добавки ZrO2,Y2O3,MgO,WC[9]. При этом необходимо добиваться их равномерного распределения в порошковой среде А12О3, что в случае с нанопорошками  является достаточно сложной  задачей. Как видно из рис.6, зависимость роста зерен с уплотнением для образцов с размерами порошка 0,6 и 7 мкм носит монотонный характер, для образцов с нанопорошков 0,056 мкм наблюдается резкий рост .Заметен резкий рост зерен при уплотнениях при уплотнениях близких к 100% плотности. При этом усадка при горячем прессовании с прямым пропусканием переменного электрического тока нанопорошков наблюдается при температурах  на 200 и 300ºС ниже  (табл. 1), чем при прессовании порошков, соответственно, 0,6 и 7 мкм. Аномально быстрый рост уплотнения и увеличения размеров зерен в процессе спекания нанопорошков с размерами 0,056 мкм при относительно низкой температуре объясняется нами формоизменением ансамбля частиц, которое осуществляются за счет их зернограничного скольжения, поскольку в местах касания связанных ультрадисперсных частиц источник генерирования дислокаций находится в плоскости контакта. В процессе такого контакта возможен поворот и коалеcценция зерен [10 ].

      Проведенные измерения твердости оксида алюминия, полученного из порошков различных фракций показали, что твердость материала полученного из нанопорошков составляет Hv=19-20ГПа, тогда как материала полученного из более крупных порошков составляет  Hv=17-18 ГПа. Таким образом становится очевидно, что применение нанодисперсных порошков оксида алюминия при получении инструментальных материалов позволит увеличить твердость и износостойкость режущей части инструмента.

 


Заключение

 

Разработан метод консолидации нанопорошков тугоплавких соединений при горячем прессовании с использованием переменного тока 1500-2000 А при напряжении 5-10 В.

Получены практически беспористые материалы из нанопорошков Al2O3 с относительной плотностью 0,993 – 0,995 и размерами зерен 0,08 – 0,1 мкм при горячем прессовании под давлением 45 МПа и температуре 11500С в течение 2 мин. при прямом пропускании переменного электрического тока.

Для того, чтобы избежать интенсивного роста зерен при относительно низких температурах спекания, необходимо применить контролируемые высокие скорости нагрева в процессе горячего прессования.

Полученные значения твердости наноматериалов свидетельствуют о перспективности их использования в качестве инструментальных для обработки различных высокотвердых металлических сплавов.

 

Список литературы.

 

1.Nersisyan H.H., Lee J.H., Large–scale synthesis method of transition metal nanopowders // C.W. Won. Int. J. SHS. 2003. 12. Р. 149–158.

2.Groza J. R., Zavaliangos А.К. Sintering activation by external electrical  Field // Material Scincе. 2000. – №28. Р.171–177.

3.Goldberger W.M., Fessler R.R. The Development of Non–Intrusive Methods of Sencing and Control of Densification During Electrocosolidation // Advances In Process Measurments for the Ceramic Industry.–1999. –Vol.18№42.– Р.337–345.

4.В.В.Скороход,І.В.Уварова,А.В.Рагуля.Фізико-хімічна кінетика в      наноструктурних системах.-Київ:Академперыодика,2001-180с.

5.Stanciu L. A., Kodash V.Y, Groza J.R. Effects of heating rate on densificationand grain growth during field actived sintering of Al2O3 and MoSi2 // Mat.Metal. Trans. 2001. 32. – Р. 2633–2638.

6.Веrhard F.,S.Le Gallet, N Spinassou. Dense nanostructured materials obtained by Spark Plasma Sintering and Field Actived pressure assistied synthesis sintering from mechanical actived powder mixtures //Science of Sintering.-2004.-№36.-p.155-164.

7..Геворкян Э.С.,Тимофеева, Л.А.,Чишкала, В.А., Кислый П.С. Горячее прессование нанопоршков монокарбида вольфрама при нагревании электрическим током./ Наноструктурное материаловедение -№2-2006-с.46-51.

8.United States Patent № 6,617,271 В1 МКИ C 04 B 35/36. Tungsten cаrbide cutting tool materials / Gevorkian E.S., Kodash V.Yu. – Заявл. 19.03.2002; Опубл. 9.10.2003. – 14 р.

9.Геворкян Э.С., Гуцаленко Ю.Г. Особенности формирования тугоплавкой    керамики из нанопоршков Al2O3 и WC  прессованием с прямым электронагревом. Физические и компьютерные технологии. Труды 14-й международной научно-технической конференции,24-25 сентября 2008 г.-Харьков: ХНПК «ФЭД»,2008.-с.174-178.

10.Кислый П.С., Кузенкова М.А. Спекание тугоплавких соединений. – К.: Наукова думка. – 1980. –167 с. 



 

 

   

На главную   |   О компании   |   Продукция   |   Контакты