В настоящее время в качестве заменителя WC-Со систем при изготовлении твердых сплавов используется ультрадисперсная система WC-Fe-Ni, которая успешно конкурирует по ряду признаков. В частности, это более дешевый и более технологичный материал, уступающий по твердости на 2-3 HRA. С использование этой системы могут выполняться композиты по схемам порошковой технологии. Перспективным композитом следует считать конструкционную сталь с твердосплавными вставками, формирующими контактные пары трения. Развитие этого направления сдерживается крайне малой информацией по составам систем, процессам компактирования, режимам спекания.
В этой связи поставлена задача исследования поведения исходных компонентов указанной системы в процессе нагрева. При этом использовались карбонильные порошки железа и никеля.
Исследовали исходные карбонильные радиотехнические порошки железа марки Р10 (ГОСТ13610-79) и никеля марки ПНК-ОТ1 (ГОСТ 9722-97) , поскольку они являются, сами по себе, сложными системами. Так, карбонильное железо и никель с гранулометрическим однородным составом и размерами частиц порядка 1,0 мкм содержат 0,96–1,0 % углерода в виде наноразмерных слоев, разделяющих тонкие металлические сферы в каждой частице. по литературным данным [1] при нагреве происходят существенные изменения с превращением микроразмерных частиц в наноразмерные.
Для выявления картины превращений производили поэтапное разложения железа Р10. При этом навеску карбонильного порошка в течение 15 минут нагревали в кварцевом реакторе с водородной атмосферой до различных температур и охлаждали без выдержки. Отжиг проводился при температурах 150, 250, 350, 400, 450, 500 и 550°С. для описании поведения системы использовались: начальная масса GН, конечная масса (после нагрева) GК, абсолютное изменение массы ∆G, коэффициент изменения массы µ = GК/ GН, относительное изменение массы δ= (∆ G/ GН)100 %. Численные значения указанных параметров приведены в таблице. Как следует из таблицы, изменение массы порошка имеет нелинейный характер.
Для большей наглядности на графике (рис. 1) приведена зависимость коэффициента изменения массы от температуры отжига. Минимумы значений при температурах 250 и 400°С, выше температуры 450°С коэффициент непрерывно уменьшается. Критические точки связаны с переходами системы к различным модификациям.
Для выяснения причин такого поведения исследовали электронную структуру порошков после отжига [2]. Структуры для критических точек на графике (рис. 1) приведены на рис. 2.
Параметры отжига карбонилов в среде водорода
|
Температура нагрева, °С/ время, мин |
150/15 |
250/15 |
350/15 |
400/15 |
450/15 |
500/15 |
550/15 |
|
Начальная масса GН, гр |
1.001 |
0.575 |
0.545 |
0,538 |
0,522 |
0,594 |
0.795 |
|
Масса после нагрева GК, гр |
0.882 |
0.497 |
0.532 |
0.504 |
0.519 |
0.569 |
0.718 |
|
Абсолютное изменение массы, ∆ G, гр |
0.119 |
0.078 |
0.013 |
0,034 |
0.003 |
0.025 |
0.077 |
|
Коэффициент изменения массы, µ = GК/ GН |
0.88 |
0.86 |
0.97 |
0.93 |
0.99 |
0.95 |
0.90 |
|
Относительное изменение массы, δ= (∆ G/ GН)100 % |
11.88 |
13.56 |
2.38 |
6.3 |
0.57 |
4.20 |
9.68 |
Рис. 1. График изменения массы карбонильного железа при отжиге
Рис. 2. Структура карбонильного железа после отжига при температурах: а – 150; б – 250; в – 350; г – 50-500; д-550°С
Показано, что в интервале 150 – 200°С структура (рис. 2а) практически не изменяется. При температуре 250°С видно (рис. 2б), что структура состоит из исходных частиц и частично претерпевает распад. Следует полагать, что увеличение коэффициента изменения массы связано именно с этим процессом, последующие изменения определяются процессами окисления и коагуляции (рис. 2в, 2г, 2д).
Выводы
Исследовано поведение карбонильного железа при нагреве в интервале 150–550°С. Выявлены структурные изменения карбонильного железа, связанные с распадом частиц и окислением продуктов распада.
Показано, что размеры образующихся конечных частиц имеют наноразмерные величины (40–60 нм).