3 УДК 621.762.2 ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОРОШКОВ ДЛЯ МАГНИТНО-АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТОДОМ МЕХАНОСИНТЕЗА студент гр.103152 Бабина С.С. Научный руководитель – проф. Жорник В.И. Белорусский национальный технический университет Минск, Беларусь При магнитно-абразивной обработке (МАО) используются части- цы, которые должны обладать ферромагнетизмом и абразивной спо- собностью. Обычно в качестве магнитно-абразивной рабочей среды используют смеси или композиты на основе порошков железа и мате- риала высокой твердости, таких как оксид алюминия, карбид титана, карбид кремния, диоксид кремния, алмаз и т.п. Композиты такого со- става преимущественно получают металлургическим методом: спека- нием и синтезом с последующим размолом [1, 2]. К недостаткам этих методов можно отнести частичный распад реактивных компонентов, например, карбида кремния, невозможность диспергирования абра- зивных частиц ниже уровня 5 мкм, низкую абразивную способность спеченных композиционных частиц [2]. Одним из эффективных способов получения наноструктурирован- ных композитов является интенсивная механическая обработка, про- водимая в высокоэнергетических планетарных шаровых мельницах [3, 4]. Основными преимуществами этого способа является возможность формирования порошков с большой контактной поверхностью и ин- тенсификация различных физико-химических процессов в материалах, что способствует изменению их структурно-фазового состояния. Регу- лирование степени взаимного перемешивания, размера частиц (вплоть до наноуровня) и реакционной способности композиций достигается путем изменения режима и длительности обработки. Целью данной работы являлось изучение влияния интенсивной механической обработки на формирование структуры композита Fe/SiC и его абразивные свойства. Для получения композиционных магнитно-абразивных порош- ков в работе использовались порошки карбонильного железа ПЖК с размером частиц dч = 140–180 мкм и карбида кремния монокристал- лического α-SiC с кристаллической структурой типа вюрцита фрак- 4 ции dч = 40–180 мкм. Механическую активацию (МА) порошковой смеси 80мас.%Fe+20мас.%SiC проводили в высокоэнергетической планетарной шаровой мельнице Активатор-2S (пр-во ЗАО «Актива- тор», г. Новосибирск) с энергонапряженностью I = 3 Вт/г в воздуш- ной атмосфере при водяном охлаждении в течение 5, 10, 20 и 60 мин, что соответствует дозам механической энергии 0,9; 1,8; 3,6 и 10,8 кДж/г. Изучение фазового состава порошковых композитов проводили на дифрактометре D8 Advance в характеристическом излучении CuKα1 (λ = 1,5406 Å) с использованием базы данных рентгенографических стандартов ICDD PDF-2. Изучение абразив- ных свойств получаемых механокомпозитов проводили на установ- ке магнитно-абразивного полирования модели Т10, предназначен- ной для финишной обработки наружных и внутренних цилиндриче- ских поверхностей. Результаты исследования показали, что увеличение дозы введен- ной механической энергии с D = 0,9 кДж/г до D = 10,8 кДж/г приво- дит к существенному снижению интенсивности дифракционных отражений железа и значительному их уширению, что обусловлено уменьшением размеров кристаллитов L и ростом внутренних мик- ронапряжений ε (ε = Δd/d) (табл. 1). Таблица 1. Микроструктурные параметры фаз порошковой смеси Fe-SiC при механической активации Доза введенной энер- гии D, кДж/г a, нм L, нм ε, % Fe SiC Fe SiC Fe SiC 0 2,866(4) - 161 - 0,0027 - 0,9 2,866(9) - 47 - 0,31618 - 1,8 2,865(0) - 41 121 0,3227 0,2212 3,6 2,866(8) - 35 40 0,8777 0,8280 10,8 2,868(5) - 12 16 1,4091 0,0001 Интенсивности дифракционных отражения карбида кремния также существенно снижаются и при значениях D = 10,8 кДж/г едва превышают фон. Следует отметить, что при механообработке с до- зой механической энергии D = 1,8 кДж/г фрагментация частиц кар- бида кремния происходит менее существенно, чем железа, что обу- словлено его более высокими прочностными свойствами, и дости- гают уровня Fe ≈ 40 нм и SiC ≈ 120 нм. При D = 3,6 кДж/г средний размер кристаллитов Fe и SiC выравнивается ( = 35– 5 40 нм), и измельчение кристаллитов ниже уровня = 40 нм для обоих компонентов происходит значительно медленнее (рис. 1). В фазе карбида кремния с увеличением дозы механической энергии до D = 10,8 кДж/г и уменьшением размера кристаллита до SiC = 16 нм происходит резкое снижение уровня микронапряжений, что может свидетельствовать о снижении количества дефектов в кри- сталлитах. Изменения параметров решетки (а) фазы железа проис- ходит незначительно (табл. 1). Можно предположить, что тонко- дисперсные частицы карбида кремния при МА распределяются по границам железа без существенного взаимодействия. Рисунок 1 – Зависимость размера кристаллитов Fe и SiC от затраченной дозы механической энергии при МА Измельчение частиц карбида кремния происходит значительно быстрее, чем частиц железа (табл. 2), что обусловлено их более вы- сокой хрупкостью. Формируемые композиционные частицы Fe/SiC, в которых измельченные разноразмерные (dч = 1–8 мкм) твердые частицы SiC расположены в матрице менее твердого компонента железа, имеют широкий размерный диапазон dч = 8–250 мкм. Уве- личение длительности МА до достижения значений D = 3,6 кДж/г приводит к полному расходованию железа на образование компо- зиционных частиц размером dч = 8–110 мкм, содержащих включе- ния SiC размером dч = 0,6–5 мкм, однако отдельные несвязанные 6 частицы SiC размером до dч ≈ 5 мкм все еще присутствуют в смеси. Дальнейшее увеличение длительности МА до достижения значений D = 10,8 кДж/г приводит к равномерному распределению твердых частиц SiC в матрице железа и их дальнейшему измельчению до уровня dч = 0,3–2 мкм. Размерный диапазон частиц композитов сужается до dч = 1–43 мкм. Таблица 2. Размеры частиц при МА Доза введенной энергии D, кДж /г Размерный диапазон частиц dч, мкм Fe/SiC SiC 0,9 14–250 5–20 1,8 8–90 1–15 3,6 8–110 0,6–5 10,8 1,5–43 0,3–2 Таким образом, формирование композита Fe/SiC проходит следующие стадии: измельчение исходных компонентов с частич- ным образованием композиционных частиц в широком размерном диапазоне, увеличение количества композиционных частиц с уменьшением их размерных характеристик и измельчением суб- структурных элементов, формирование композиционных частиц в узком размерном диапазоне с гомогенным распределением компо- нентов по фазовому и размерному составу. При этом основными механизмами формирования композитов является измельчение компонентов с их деформационным перемешиванием. Результаты исследований абразивной способности получае- мых механокомпозитов SiC на образцах из циркониевого сплава при длительности магнитно-абразивной обработки 5 мин приведе- ны в таблице 3. Параметр исходной шероховатости обрабатываемой поверхности Ra=0,15–0,25 мкм. Согласно полученным данным после МАО в течение 5 мин наилучшими абразивными свойствами (наибольший размерный съем материала, более низкий уровень и узкий диапазон значений параметра шероховатости Ra) обладает композиционный порошок Fe/SiC, полученный при механосинтезе с дозой механической энер- гии D = 1,8 кДж/г. Увеличение параметра МА до достижения значе- ний D = 3,6–10,8 кДж/г приводит к значительному уменьшению (в 4–10 раз) размера абразивных частиц и их внедрению в объем ком- 7 позиционной частицы, что приводит к снижению общей абразивной способности композиционных порошков. Таблица 3. Результаты МАО циркониевого сплава при использовании магнитно-абразивных порошков Fe/SiC Номер образца Доза введенной энергии D, кДж/г Размерный съем на сторону, мкм Шероховатость, Ra, мкм (диапазон/ср.) 1 0,9 4,9 0,11–0,23 / 0,182 2 4,4 0,12–0,22 / 0,155 3 3,6 0,12–0,18 / 0,152 1 1,8 5,5 0,08–0,12 / 0,101 2 6 0,09–0,13 / 0,114 3 6,3 0,08–0,12 / 0,096 1 3,6 4,3 0,09–0,12 / 0,107 2 5,8 0,06–0,2 / 0,139 3 3 0,07–0,19 / 0,112 1 10,8 3,5 0,10–0,14 / 0,123 2 3,8 0,10–0,24 / 0,164 3 2,9 0,07–0,10 / 0,088 Однако можно предположить, что увеличение длительности магнитно-абразивной обработки более 5 мин позволит достичь бо- лее низких показателей шероховатости обрабатываемой поверхно- сти и для вариантов механосинтеза композиционных порошков Fe/SiC с дозой подведенной энергии D > 1,8 кДж. Литература 1. Nepomnyashchii, V.V. Metal Surface Finishing with magnetic abra- sive powder based on Iron with Ceramic Refractory Compounds (Mechani- cal Mixtures) / V.V. Nepomnyashchii, S. M. Voloshchenko, Т.V. Mosina, K.A. Gogacv, M.G. Askerov, A.V. Miropol'skii // Refractories and Industri- al Ceramics. – 2014. – Vol. 54. –- № 6. – pp. 471–474. 2. Yodkaew, Тh. Sintered Fe-Al2O3 and Fe-SiC Composites / Th. Yodkaew, M. Morakotjinda, N. Tosangthum, Or. Coovattanachai, R. Krataitong, P. Siriphol, Bh. Vetayanugul, S. Chakthin, N. Poolthong, R. 8 Tongsri // Journal of Metals, Materials and Minerals. – 2008. – Vol.18. – No.1. – рp. 57–61. 3. Механокомпозиты – прекурсоры для создания материалов с но- выми свойствами: монография / Отв. ред. О.И. Ломовский. – Новоси- бирск: Изд-во СО РАН (Интеграционные проекты СО РАН, вып. 26), 2010. – 432 с. 4. Khodaei, M. Mechanochemically Synthesized Metallic-Ceramic Nanocomposite; Mechanisms and Properties / M. Khodaei, M.H. Enayati, F. Karimzadeh // in book Advances in Nanocomposites – Synthesis, Character- ization and Industrial Applications, Dr. Boreddy Reddy (Ed.): InTech., 2011. – рp. 157–180.