УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УПРУГИХ СВОЙСТВ КЕРМЕТОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОДЕРЖАНИЯ СТАЛИ И ТЕМПЕРАТУРЫ СПЕКАНИЯ. НАНОТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ

English version

The Timber Industry Worker

Журнал "Лесопромышленник"

Интернет-журнал "Лесопромышленник"

Новости лесной промышленности

Круглопильные бревнопильные станки KARA

СЕГОДНЯ:

НАНОТЕХНОЛОГИИ В ЛПК

  

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УПРУГИХ СВОЙСТВ КЕРМЕТОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОДЕРЖАНИЯ СТАЛИ И ТЕМПЕРАТУРЫ СПЕКАНИЯ

Абрамович А.А., Кадыров М.А.

С.- Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров, Россия,

e-mail: andrew@ns2740.spb.edu

Краткая аннотация

Кермет представляет собою композиционный материал, получаемый спеканием керамического и металлического порошков при высоких температурах. В промышленности они получили распространение в связи со своими уникальными свойствами: прочностью, термостабильностью и термостойкостью, химической и коррозионной устойчивостью. Нами исследованы упругие модули в образцах керметов на основе порошков корунда и промышленной нержавеющей стали в зависимости от концентрации стали и температуры спекания в вакууме. Показано, что упругие модули имеют максимальные значения при концентрации стали 30 – 40% (мол.) и возрастают с увеличением температуры спекания.

Ключевые слова: кермет, спекание, упругие модули, прочность, межзёренные границы.

ULTRASONIC INVESTIGATIONS OF CERMET ELASTIC PROPERTIES IN DEPENDENCE ON STEEL CONCENTRATION AND TEMPERATURE OF SINTERING

Abramovich A.A., Kadyrov M.A.

St.-Petersburg State Technological University of Plant Polymers, Russia

Abstract Cermet is a ceramic-metal composite usually produced by sintering a precompacted mixture of the initial powders. These composite materials were created for industrial applications to produce engineering structures possessing a high strength, thermal stability and resistance to aggressive media. In the present work elastic properties of cermet samples, obtained by sintering of corundum and stainless steel powders, were investigated in dependence on steel concentration and on temperature of sintering in vacuum. It is shown that elastic modules have maximum at steel concentration 30 – 40% mol. and increase with sintering temperature rise.

Keywords: Cermet; sintering; elastic modules; strength; grain boundaries.

Разработки новых композиционных материалов на основе керамики и металла (керметов) известны с 60-х годов прошлого века и сегодня привели к созданию уникальных по своим свойствам веществ, совмещающих достоинства обоих компонент: прочность, термостойкость, термостабильность, износоустойчивость, надёжность в эксплуатации, химическую стойкость и др. [1]. В настоящее время керметы уже используются в машиностроении и, в частности, в бумагоделательной отрасли (режущий инструмент, высокотемпературные элементы газовых турбин, втулки и подшипники качения, прецизионные термостабильные станки), в медицинской и пищевой промышленности (детали насосов и устройств для перекачки агрессивных жидкостей) и в других областях. Керметы на основе порошков корунда (α-Al2O3) и промышленной нержавеющей стали 12Х18Н9Т были синтезированы и исследованы нами со следующими целями: а) получение сравнительно простой и дешёвой технологии; б) достижение высоких параметров с одновременно малой плотностью готовых образцов. В результате синтеза был получен материал с высокими модулями упругости, хорошей износоустойчивостью и термостойкостью, что делает перспективным его использование в машиностроении и других областях техники. Вместе с тем известно, что механические и теплофизические свойства керметов чувствительны к различного рода факторам, главными из которых является пористость материала и структура границ между зёрнами, которые определяется как методом синтеза исходного материала, так и технологией изготовления образцов и их окончательной термообработкой [1,2].

Для исследований нами были синтезированы образцы керметов, полученные взаимным измельчением порошков корунда и стали в вибромельнице и спечённые в вакууме после предварительного прессования (технология описана в работе [2]). В результате было получено несколько образцов с тремя различными концентрациями железа в диапазоне 17 – 53 % мол., спечённых при температурах 1400, 1500 и 1600 oС в вакууме в течение 1 часа. Выбор температур, концентраций и времени спекания был определен в предварительных экспериментах по получению механически прочных и наименее пористых образцов, при этом, плотность образцов составила 2,7 – 4,3 г/см3, а пористость 1 – 20 % в зависимости от состава и температуры спекания. Измерение динамических упругих модулей Юнга (Е) и сдвига (G) проводилось на частоте 2 МГц стандартным ультразвуковым методом [3], в котором измерялись скорости продольных (vl) и поперечных волн (vs) в образце, а затем определялись модули в предположении изотропности образца по известным соотношениям:

На рис.1 представлено изображение типичной микроструктуры образцов исследованных керметов, полученное электронной микроскопией. Из рисунка следует, что зёрна корунда (серый тон) довольно плотно упакованы с прилеганием по их естественным граням, а более мелкие частицы стали (светлый тон), равномерно распределённые по объёму образца, располагаются либо на их поверхностях, либо занимают стыки 3 – 4 зёрен. Средний размер зёрен корунда ~ 5 – 8 мкм, размер частиц стали ~ 0,5 – 2 мкм, размер пор (тёмный тон)~ 2 – 3 мкм. Можно предположить, что между металлом и корундом в процессе спекания образуется некоторый промежуточный слой диффузионного типа определённого состава [1,2,4], определяющий их физические свойства, важные для практического применения.

Рис.1. Микроструктура образца кермета Рис.2. Зависимости модулей упругости E и G керметов от концентрации Fe (модуль G показан штрихом)

На рис.2 представлены концентрационные зависимости модулей упругости E и G для образцов с различными температурами спекания: 1400 oС – (кривые 1 – 1’); 1500 oС - (кривые 2 – 2’); 1600 oС - (кривые 3 – 3’). Из него следует, что для образцов керметов с температурами спекания 1500 и 1600 oС при концентрации железа 35 – 40 % моль наблюдаются максимальные значения обоих модулей упругости (кривые 2 – 3 и 2’ – 3’ на рис. 2), в отличие от образца, спечённого при более низкой температуре 1400oС (кривые 1 – 1’). В литературе, посвящённой керметам, отмечается, что образование прочной химической связи между зёрнами керамики и металла сопровождается образованием промежуточного слоя, т.е. новой фазы, свойства которой, в основном, и определяют характеристики спечённого композита, несмотря на то, что толщина слоя оценена в несколько нм. В работе [4] проведены оценки упругих характеристик межзёренной границы, при этом, в наших образцах такой слой тоже обнаружен при низкой (1400 oС) температуре спекания. Возможно, слой такого состава обладает толщиной в десятки нм и «рыхлой» структурой, поэтому низкими упругими модулями, что снижает прочность всего композита и уменьшает его модули (см. кривые 1 и 1’ на рис.2). При более высоких температурах спекания межзёренная граница может быть значительно тоньше, что проявляется в увеличении упругих модулей композита (кривые 2, 2’ и 3, 3’ на рис.2). Что касается уменьшения упругих модулей при росте концентрации железа, то, возможно, его избыток приводит к утолщению межзёренной границы, состав которой должен приближаться к составу стали с уменьшением её упругости. В связи с этим можно утверждать, что концентрационные зависимости модулей E и G позволяют выбрать оптимальную концентрацию стали для получения композита с нужными упругими свойствами.

Таким образом, акустические исследования спечённых композитов типа кермет с микроразмерными частицами позволяют зарегистрировать образование межзёренных границ и в комплексе с другими методами исследований судить об их свойствах, что, в частности, важно для разработки и создания новых промышленных материалов конструкционного назначения с заранее заданными свойствами.

Литература

1. Керметы // Кислый П.С., Боднарук М.С., Боровикова М.С. и др. – Киев: Наукова думка, 1985. 272 С.

2. Иванов С.Н., Хазанов Е.Н., Таранов А.В. и др.Характер межзёренных границ и упругие свойства керметов, полученных на основе оксида алюминия и нержавеющей стали // Физика твёрдого тела. 2001. Т. 43. Вып. 4. С. 639 – 643.

3. Труэлл Р., Эльбаум Ч., Чик Б. Ультразвуковые методы в физике твёрдого тела. – М.: Мир, 1972. 308 С.

4. Слепнёв А.Г. Оценка механических свойств межзёренной фазы в нанокристаллических и субмикроструктурных материалах с использованием модели упругой многослойной периодической среды. // Письма в ЖТФ. 2007. Т.33. Вып.21. С. 85 – 89.

Сведения об авторах:

1. Абрамович Андрей Андреевич, доцент кафедры физики, к.ф.-м. наук; 195197 С.-Петербург, ул. Васенко, д.5/15, кв. 32, д.т. (812)540-20-53, «andrew@ns2740.spb.edu»;

2. Кадыров Монер Абдулович, научный сотрудник кафедры общей и неорганической химии, к.т. наук.

Авторы работают в С.-Петербургском государственном технологическом университете растительных полимеров,

198095 С.-Петербург, ул.И.Черных, 4, (812)786-57-44, «mail@gturp.spb.ru».

О Интернет-Журнале "Лесопромышленник"      Редакция     Партнеры     Реклама     Архив номеров    Ссылки о ЛПК     Каталог ссылок

 Иконка сайта сделана при помощи favicon.ru

©H&G - Studio 

© Интернет-журнал "Лесопромышленник" («The Internet-magazine «Lesopromyshlennik»)

Свидетельство о регистрации Эл № ФС77-32798  от   11.08.2008 г.

E-mail: editor@lesopromyshlennik.ru.

При цитировании информации гиперссылка на Интернет-журнал "Лесопромышленник"  обязательна.
Использование материалов журнала в коммерческих целях допускается только с письменного разрешения редакции.

 

С целью ограничения спам-рассылок в электронных адресах символ "@" замещён на "[at]". Приносим свои извинения за причиненное неудобство.