nano_1_97_4_lec

промінювання. Найбільше розповсюдження дістав варіант технології, за якого застосовують вибух дроту діаметром 0,1—1 мм під дією імпульсу струму три-

валістю 10–5–10–6 с, напругою 10–15 кВ і густиною струму 104-106 А/мм2. Схема виробництва порошку з дроту вибуховим в випаровуванням наведена на рис. 28. У даному випадку розряд струму створює конденсатор. Розміром і структурою частинок керують переважно за рахунок зміни густини струму і швидкості підведення енергії. Метод дозволяє виготовляти порошки високої чистоти сферичної форми з розмірами частинок до 5–10 нм, у тому числі з ме-

талів з високою хімічною активністю та кераміки з високою температурою пла-

влення. Недоліками методу є: значні витрати енергії і, як наслідок, відносна до-

рожнеча отримуваних нанопорошків і трудність вилучення частинок мікронного діапазону розмірів, які утворюються з крапель розплаву унаслідок неповного розпилювання дротинки.

Рисунок 28. — Схема отримання порошку з дроту імпульсним випаровуванням: 1 – зарядний контур, 2 – розрядний контур, 3 – дріт, що вибухає,

4 – камера з інертним газом Випаровування у потоці інертного газу (левітаційно-струменевий метод)

За цього методу випаровування металу у потоці інертного газу, прово-

дять, наприклад, з краплі розплаву на кінці дроту, який нагрівають високочас-

тотним магнітним полем. Схема установки для отримання нанопорошків випа-

ровуванням у потоці інертного газу показана на рис. 29.

71

Рисунок 29. — Схема установки для отримання нанопорошків випаровуванням у потоці інертного газу

Розмір отримуваних частинок залежить від швидкості потоку газу — зі зростанням швидкості він може зменшитися від 500 до 10 нм з одночасним зменшенням діапазону розкиду частинок за розмірами. Розглянутим методом отримують, зокрема, нанопорошки Mn и Sb. Порошок останнього металу за-

вдяки високій швидкості гартування в струмені газу був аморфним. Існує варі-

ант розглядуваного методу, який називають методом кріогенного плавлення. Він полягає в тому, що плавлення дроту проводять у рідині з дуже низькою темпе-

ратурою, наприклад у рідкому азоті.

Розпилення розплаву Принцип дії цієї групи методів оснований на швидкому розпиленні та

охолодженні розплаву вихідного матеріалу. Така технологія дозволяє отриму-

вати порошки розміром не меншим за 100 нм. Разом з тим, отримувані порошки з розміром частинок 0,5-10 мкм мають нанокристалічну (а в окремих випадках й аморфну) структуру, а тому можуть також бути зараховані до наноматеріалів,

а технологія їх виробництва — до нанотехнологій. Процеси отримання порош-

ку можна проводити у захисній атмосфері. У теперішній час для отримання на-

ноаморфних та/або нанокристалічних порошків переважно використовують три варіанти цієї технології (див. рис. 26).

72

Контактне охолодження за допомогою охолоджуваного водою диску або барабану

Метод оснований на подачі розплаву матеріалу на диск або барабан, які швидко обертаються (рис. 30). Диск або барабан виготовлені з матеріалів з ви-

сокою теплопровідністю, як правило, таким матеріалом є мідь. У такому разі забезпечують швидкість охолодження до 108 К/с. Поверхню барабану або диску роблять шорсткою (зубчастою), оскільки у випадку гладкої поверхні отриму-

ють фольгу, смужку або дріт завтовшки 10–50 мкм з аморфною або нанокрис-

талічною структурою. Отримуваний порошок вирізняється пластівчастою фор-

мою частинок. Така форма частинок може призводити до утворення неоднорідної структури і анізотропії властивостей виробів. У зв'язку з цим отримувані розглядуваним методом порошки зазвичай додатково механічно подрібнюють. Це і є основним недоліком методу.

Рисунок 30. — Принципова схема розпилення порошку розплаву за допомогою охолоджуваного водою барабану

Ударне розпилення розплаву За цього методу струмінь або крапля розплаву механічно розбивають на

дрібні частинки від ударів з інтенсивно охолоджуваними металевими лопатка-

ми, які швидко обертаються (рис. 31).

73

Рисунок 31. — Принципова схема процесу ударного розпилення розплаву

Забезпечується швидкість охолодження до 107 К/с. Як і в попередньому методі частинки порошку мають неправильну форму і для отримання за насту-

пного формування якісних виробів з однорідною структурою необхідно порош-

ки додатково механічно подрібнювати.

Електричне гідродинамічне розпилення розплаву У цьому методі для розпилення розплаву застосовують дію електростати-

чної сили. Струмінь розплаву подають у сопло з діаметром отвору порядку 80

мкм, перед яким розташований кільцевий електрод (рис. 32). До нього прикла-

дають постійну напругу 3–20 кВ. В результаті з сопла вилітають додатно заря-

джені дрібні краплі розплаву, які після охолодження утворюють частинки по-

рошку. Розмір частинок залежно від матеріалу і технологічних параметрів може становити 100 нм – 10 мкм. Недоліком цього методу є дуже низька продуктив-

ність (2 г/год. з одного сопла).

Рисунок 32. — Схема процесу електричного гідродинамічного розпилення роз-

плаву

74

Механічне подрібнення Механічне подрібнення частинок матеріалу (попередньо отриманих за

іншими технологіями порошків, гранул, розмолотих злитків) належить до най-

більш розповсюджених методів виробництва порошків. Цим методом легко отримувати порошки з крихких матеріалів. Порошки пластичних, високоміцних і аморфних матеріалів виробляти важче. У такому разі зростає небезпека надмі-

рного нагрівання матеріалу і забруднення його продуктами зносу робочих час-

тин технологічного обладнання.

Механічним розмелюванням з використанням млинів досягають зменшен-

ня розмірів частинок матеріалу унаслідок інтенсивного роздавлювання його між робочими органами млина. Залежно від виду матеріалу і потрібних власти-

востей нанопорошку застосовують переважно планетарні, кульові та вібраційні млини. Середній розмір частинок отримуваних порошків може становити від 5

до 200 нм. Іншим варіантом методу може бути застосування атриторів та симо-

лойерів — високоенергетичних подрібнювальних апаратів з нерухомим корпу-

сом-барабаном і мішалками, які передають рух кулям в барабані. Атритори ма-

ють вертикальну орієнтацію барабану, а симолойери – горизонтальну.

Протиструменеве розмелювання в псевдозрідженому шарі Процес реалізується завдяки подрібненню частинок порошку унаслдіок їх

зіткненням однієї з другою. У такому разі процеси взаємного зіткнення части-

нок, розігнаних до високих швидкостей у струмені газу, відбувається в середині псевдозрідженого шару, який утворений цими частинками. Тільки дуже незна-

чна частка частинок доторкується до стінок камери, в якій проходить процес помелу. Схема процесу показана на рис. 33. В нижній частині робочої камери є система сопел, з яких під високим тиском виходить газ. Утворювані газові струмені зустрічаються один з другим у центрі нижньої частини камери, розри-

хлюють розмелювану речовину і утворюють псевдозріджений шар. У цьому шарі роздрібнювані частинки з великими швидкостями переміщуються від кра-

їв до центру камери. З зони помелу потік частинок виноситься струменями газу у верхню частину установки, в якій розташований сепаратор для розділення ча-

75

стинок за розмірами. Частинки з розміром, меншим за певний, виносяться по-

током газу в систему фільтрів, де відокремлюються від газового потоку і пот-

рапляють у накопичувальний бункер. Крупні частинки сепаратор спрямовує на-

зад у зону помелу.

Рисунок 33. — Схема установки для протиструменевого помелу у псевдозрідженому шарі: 1 – живильний пристрій, 2 – бункер з вихідними частинками речовини, 3 – шнекова система подачі частинок у камеру помелу, 4 – псевдозріджений шар, 5 – сопла подачі газу, 6 – газогін високого тиску, 7 – камера помелу, 8 – сепаратор, 9 – вихідний колектор газу з дрібними частинками.

Порошки, отримувані цим методом відповідають високим вимогам щодо

чистоти, мають високу однорідність і складаються з частинок приблизно одна-

кового розміру. Інтенсивний потік газу суттєво послаблює нагрів частинок під

час помелу. Це дозволяє обробляти аморфні та нанокристалічні порошки. Ос-

новний недолік — складність і висока вартість технологічного устаткування у

випадку виробництва нанорозмірних порошків.

76

Лекція 10

Методи з використанням інтенсивної пластичної деформації. Кручення під ви-

соким тиском. Рівнокальне кутове пресування. Пресування виробів з нанопо-

рошків: одновісне, ізостатичне, гідростатичне, газостатичне, квазігідростатич-

не.

Методи отримання наноструктурних матеріалів основані на проведенні пластичного деформування з великими ступенями деформації. В умовах прик-

ладання високих тисків за відносно низьких температудеформування відбува-

ється дуже сильне подрібнення зерен металів і сплавів аж до нанорозмірного діапазону. У запровадженні цих методів існує ряд застережень стосовно будови вихідних матеріалів:

переважне формування ультра дисперсних структур великокутовими гра-

ницями зерен (саме за такої умови дістають якісні зміни властивостей ма-

теріалів);

необхідність забезпечення стабільності властивостей матеріалу для одно-

рідного формування наноструктур у всьому об'ємі матеріалу;

відсутність механічних пошкоджень і тріщин незважаючи на інтенсивне

пластичне деформування матеріалу.

Ця група методів дозволяє отримувати об'ємні безпористі металеві нано-

матеріали. Проте слід зауважити, що розміри зерен матеріалів, отримуваних ро-

зглядуваними методами, як правило, перевищують 100 нм. Структура, одержу-

вана інтенсивною пластичною деформацією, вирізняється сильною нерівноважністю унаслідок малої густини вільних рухомих дислокацій і пере-

важно великокутовим характером границь зерен. Тому для виготовлених виро-

бів застосовують додаткову термообробку або додаткове пластичне деформу-

вання за підвищених температур і великих ступенів деформації.

У теперішній час найкраще опрацьовані два методи (рис. 34).

77

Кручення під високим тиском Метод ґрунтується на принципі ковадла Бріджмена, в яких зразок розта-

шовують між бойками і стискають з тиском у декілька ГПа, а потім приклада-

ють деформацію з дуже великими ступенями (10 і більше). Нижній бойок обер-

тається, і сили поверхневого тертя змушують зразок деформуватися зсувом.

Заготовку виготовляють у формі диску діаметром 10–20 мм і завтовшки 0,2–0,5

мм, що забезпечує умови гідростатичного стиску для основного об'єму матеріа-

лу і дотримання умови збереження її суцільності. Зерна матеріалу починають подрібнюватися вже після деформації на пів оберту заготовки. Утворення ульт-

радрібнозернистої структури досягають після деформації у декілька обертів за-

готовки. Середній розмір зерен може становити 100–200 нм (рис. 35, а) і залеж-

но від умов деформування — тиску, температури, швидкості обробки і виду оброблюваного матеріалу.

Рисунок 34. — Схема методів інтенсивної пластичної деформації: а – кручення під високим тиском, б – метод рівноканального кутового пресування,

1 – пуансон, 2 – зразок, 3 – супорт, 4 – заготовка

Рівноканальне кутое пресування Метод уможливлює отримання більш крупних деталей з діаметром до 60

мм і завдовжки до 200 мм (рис. 35, б). Цей метод також оснований на викорис-

танні деформації зсувом. Для цього заготовку багаторазово продавлюють у

78

спеціальному оснащенні через два канали з однаковими поперечними переріза-

ми, що перетинаються. Найчастіше кут між каналами дорівнює 90°. Процес проводять так, щоб за одне продавлювання матеріалу ступінь дійсної (логари-

фмічної) деформації становила приблизно 1. Температуру процесу залежно від оброблюваного матеріалу обирають за кімнатну або дещо підвищеною. Важли-

вою проблемою є збереження цілісності отримуваних заготовок з малопластич-

них і важко деформуємих матеріалів. Метод дозволяє формувати ультрадрібно-

зернисту структуру з середнім розміром зерен у діапазоні від 200 до 500 нм

(рис. 35, б).

Опрацьовують також інші методи інтенсивного пластичного деформу-

вання, наприклад, всебічне кування і спеціальне прокатування (рис. 36).

Рисунок 35. — Наноструктури порошків міді, отриманих різними методами:

а – методом кручення під високим тиском, б – методом рівноканального куто-

вого пресування

Рисунок 36. — Об'ємні заготовки з наноструктурного титану

79

Компактування виробів з нанопорошків

Компактування є технологічним процесом, в результаті якого з порошку отримують готову деталь. Процес зазвичай проводять у дві стадії: формування

та спікання. Ряд методів дозволяє сполучати ці стадії. Для отримання об'ємних наноматеріалів з порошків переважно застосовують формовку за кімнатної те-

мператури з наступним спіканням.

Методи формування. В порошковій металургії у теперішній час застосо-

вують численні технології формовки.

Одновісне пресування Метод дістав дістало найбільш широке розповсюдження для компакту-

вання нанопорошків. Використовують такі способи пресування як: статичне

(пресування в прес-формах), динамічне (магнітно-імпульсне і вибухом) та віб-

раційне (ультразвукове). Вказані види пресування відомі, їх використовують під час формовки звичайних порошків.

Ізостатичне пресування Метод дозволяє отримувати формовки високої щільності завдяки стис-

канню матеріалу в умовах, близьких до всебічного напруженого стану. Існує декілька його варіантів: гідростатичне, газостатичне, квазігідростатичне. За ізо-

статичного пресування порошку його поміщують в еластичну або здатну дефо-

рмуватися оболонку. Отримувані формовки вирізняються практично однорід-

ною щільністю (правда іноді у внутрішніх об'ємах формовки вона дещо менша)

і не виявляють анізотропії властивостей. Недоліком є досить складне і дороге устаткування, а також складність дотримання точності розмірів формовки.

Гідростатичне пресування Проводять з використанням гумових або інших еластичних оболонок за-

втовшки 0,1–2,0 мм. Оболонку з порошком поміщують в робочій камері гідрос-

тата і нагнітають туди рідину (оливу, воду, гліцерин тощо) під високим тиском

80