Влияние наноразмерных добавок Si 3 N 4 и

Влияние наноразмерных добавок Si 3 N 4 и нановолокон углерода на структуру и свойства порошковой стали У 10 п Михеев Георгий Студент группы РПМ-09

Цель работы Целью данного исследования является рассмотрение закономерностей получения смеси, прессования и спекания формовок, содержащих наноразмерные добавки Si 3 N 4 и нановолокна углерода, и их влияние на формирование структуры и свойства получаемых материалов 2

3 Используемые материалы: Порошок железных марок ПЖР 2. 200. 28 ГОСТ 9849 -86 и ПЖВ 2. 160. 26 (ГОСТ 9849 -86) Графит искусственный специальный малозольный ГИСМ (ТУ 48 -20 -54 -84), Нанопорошок нитрида кремния ; содержание варьировали от 0, 01 до 0, 5 мас. % Нановолокна углерода марки «Таунит» ; содержание варьировали от 0, 01 до 0, 5 мас. %

Нанопорошок нитрида кремния Лазерный микроанализатор частиц График распределения наночастиц нитрида кремния по гранулометрическому составу Нанопорошок нитрида кремния имеет удельную поверхность 42 -43 г/см 2, соответствующую размеру частиц 40 - 60 нм Форма частиц: сферическая Порошок полидисперсный 4

Основные характеристики нанотрубок «Таунит» Параметры «Таунит» Наружный диаметр, нм 20 -70 Внутренний диаметр, нм 5 -10 Длина, мкм 2 и более Общий объем примесей, % (после очистки) до 5 (до 1) Насыпная плотность, г/см 3 0, 4÷ 0, 6 Удельная геометрическая поверхность, м 2/г 120÷ 130 и более Термостабильность, °С до 600 Структура наноуглеродного волокна «Таунит» 5

Операция смешивания Для оптимизации процесса смешивания его проводили в трех различных устройствах 1. Смешивание в двухконусном смесителе 2. В центробежной планетарной мельнице 3. В ультразвуке Контроль содержания углерода производился химическим анализом по десяти пробам, коэффициент неоднородности К определялся как отношение среднеарифметической суммы абсолютных отклонений содержания углерода в каждой пробе к его расчетному значению. 6

Свойства порошковых смесей 7 СОСТАВ ПОРОШКОВОЙ ШИХТЫ Свойства Fe - 0, 05 мас. % Si 3 N 4 -1%C Fe - 0, 1 мас. %S 3 N 4 - 1 %C Fe - 0, 2 мас. %Si 3 N 4 -1%C Fe - 0, 5 мас. % Si 3 N 4 -1%C ПЦМ ДКС УЗ Насыпная плотность 2, 95 2, 89 2, 93 2, 9 2, 84 2, 88 2, 92 2, 85 2, 96 2, 88 2, 24 Текучесть 42, 5 41, 6 42, 8 44, 2 43, 13 44, 4 44, 5 43, 2 44, 9 43, 6 42, 6 43, 8 Неоднородность смеси (К) 0, 05 0, 12 0, 07 0, 18 0, 03 0, 08 0, 22 0, 06 0, 1 0, 3 0, 09 Fe- 0, 05 мас. % нано. УВ -1% C Fe-0, 1 мас. % нано. УВ-1% C Fe-0, 2 мас. % нано. УВ-1% C Fe-0, 5 мас. % нано. УВ -1% C Насыпная плотность 2, 34 2, 31 2, 32 2, 28 2, 3 2, 28 2, 22 2, 26 2, 25 2, 16 2, 23 Текучесть 42, 2 41, 3 41, 8 42, 6 41, 53 42, 2 44, 6 43, 8 44, 1 45, 54 44, 2 45, 3 Неоднородность смеси (К) 0, 03 0, 11 0, 02 0, 04 0, 13 0, 05 0, 15 0, 04 0, 07 0, 28 0, 05

Операция прессования Прессуемость определялась на гидравлическом прессе модели 2 ПГ-125 в лабораторных пресс-формах, изготовленных из сталей Х 12 М. Давление прессования составляло от 100 до 900 МПа. 0, 2 мас. % Si 3 N 4 0, 2 мас. % «Таунит» 8

Спекание проводилось в вакуумной печи модели ТУ 16 -531. 032 Спекание проводилось в вакуумной печи модели ТУ 76 «Электропечь сопротивления шахтная вакуумная лабораторная» при температуре 1100 о. С. Si 3 N 4 - 0, 2 мас. % Нановолокна «Таунит» - 0, 2 мас. % 9

Фрактографический анализ образцов Образцы с «Таунитом» после спекания при 1100 ˚С в течении 60 мин. после смешивания: а- Двухконусный смеситель, б- УЗ, в - ПЦМ а. б. в. Образцы с нано. Si 3 N 4 после спекания при 1100 ˚С в течении 60 мин после смешивания: а- Двухконусный смеситель, б- УЗ, в - ПЦМ а. б. в.

Исследование микроструктуры Образцы с «Таунитом» после спекания при 1100 ˚С в течении 60 мин после смешивания: а- Двухконусный смеситель, б- УЗ, в - ПЦМ а б в Образцы с нано. Si 3 N 4 после спекания при 1100 ˚С в течении 60 мин после смешивания: а- Двухконусный смеситель, б- УЗ, в - ПЦМ а б в

Твердость

Прочность при изгибе Зависимость прочности при изгибе от содержания наночастиц Зависимость предела прочности при изгибе от вида смешивания и температуры спекания; a) с содержанием 0, 3 мас. % УВ; б) с содержанием 0, 3 мас. % Si 3 N 4

Прочность при растяжении Ударная вязкость 14

Выводы 1. При проведении смешивания в ПЦМ уменьшилась неоднородность шихты по сравнению со смешиванием в ультразвуке и двухконусном смесителе. 2. Усадка при спекании после смешивания планетарно-центробежной мельнице и в ультразвуке меньше, чем в двухконусном смесителе, т. к. наночастицы обволакивают как частицы железа, так частицы углерода, препятствуют их непосредственному контакту и тормозят диффузию углерода в железо. 3. Обнаружено увеличение межпластинчатого расстояния при введении наноразмерных добавок. При введении наночастиц нитрида кремния межпластинчатое расстояние возрастает на 0, 2 мкм, а при введении наноуглеродных волокон на 0, 5 мкм. 4. С увеличением количества наноразмерных частиц твердость монотонно увеличивается. 5. При содержании наночастиц в количестве 0, 3 мас. % наблюдается максимум свойств 6. При трибологических испытаниях образцов стали У 10 п с наночастицами нитрида кремния, коэффициент трения уменьшился до 0, 52, по сравнению со сталью У 10 п с ГИСМ – 0, 77 15

ПУБЛИКАЦИИ