eng
Выпуск #1/2021
Б.О.Большаков, Р.Ф.Галиакбаров, А.М.Смыслов
Механизм формирования нанодисперсных прослоек нитрида бора в порошковых компактах ПХ13М2-BN
Механизм формирования нанодисперсных прослоек нитрида бора в порошковых компактах ПХ13М2-BN
Просмотры: 2064
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.1.36.42
В работе рассмотрен вопрос формирования структуры порошковых компактов ПХ13М2-BN, полученных твердофазным спеканием. Представлены механизмы формирования нанодисперсных прослоек BN по границам зерен компактов и феноменологическая модель формирования областей с повышенной концентрацией керамических частиц в объеме материала.
В работе рассмотрен вопрос формирования структуры порошковых компактов ПХ13М2-BN, полученных твердофазным спеканием. Представлены механизмы формирования нанодисперсных прослоек BN по границам зерен компактов и феноменологическая модель формирования областей с повышенной концентрацией керамических частиц в объеме материала.
Теги: abrasion cermet composite material microstructure nanodispersed interlayers истираемость металлокерамический композиционный материал микроструктура нанодисперсные прослойки
МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОДИСПЕРСНЫХ ПРОСЛОЕК НИТРИДА БОРА В ПОРОШКОВЫХ КОМПАКТАХ ПХ13М2-BN
MECHANISM OF FORMATION OF NANODISPERSED BORON NITRIDE LAYERS IN PKH13M2-BN POWDER COMPACTS
Б.О.Большаков1, вед. инженер, (ORCID: 0000-0002-5945-7123), Р.Ф.Галиакбаров1, зам. директора,
(ORCID 0000-0002-4966-8437), А.М.Смыслов2, д.т.н., проф., (ORCID 0000-0003-3530-8833) / bobolshakov@gmail.com
B.O.Bolshakov1, Leading Engineer, R.F.Galiakbarov1, Associate Director, A.M.Smyslov2, Doct. of Sc. (Technical), Prof.
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.1.36.42
Получено: 30.11.2020 г.
В работе рассмотрен вопрос формирования структуры порошковых компактов ПХ13М2-BN, полученных твердофазным вспеканием. Представлены механизмы формирования нанодисперсных прослоек BN по границам зерен компактов и феноменологическая модель формирования областей с повышенной концентрацией керамических частиц в объеме материала.
This paper considers formation of PCh13M2-BN powder compact structure obtained by solid-phase sintering. The mechanism of the formation of nanodispersed BN interlayers along the grain boundaries of compacts and a phenomenological model of the formation of regions with the increased concentration of ceramic particles in the bulk of the material are presented.
ВВЕДЕНИЕ
Вопросы повышения надежности, стабильности и экономичности паровых турбин различной мощности неразрывно связаны с применяемыми в их конструкциях типами уплотнений [1, 2]. Накопленный мировой опыт эксплуатации паровых турбин с сотовыми, щеточными уплотнениями и уплотнениями, наносимыми газотермическим напылением, свидетельствует о необходимости разработки нового класса истираемых материалов на металлической основе с дисперсными добавками соединений, относящихся к категории твердой смазки (MoS2, BaF2, CaF2, h-BN и др.) [3–10]. При этом наиболее перспективным подходом равномерного введения дисперсных добавок в объем формируемых изделий является использование технологии порошковой металлургии.
Из всего разнообразия неметаллических соединений, относящихся к твердой смазке, хорошими смазывающими способностями в условиях повышенной влажности и возможностью применения в интервале температур до 700 °С обладает h-BN [11, 12].
Известны работы [13–18], в которых авторы оценивали влияние концентрации гексагонального нитрида бора на механические и трибологические свойства композиционных материалов на различной основе. Установлено, что введение нитрида бора в состав материалов приводит к снижению трения при высоких нагрузках и скоростях [13–15, 17], h-BN обладает низкой адгезионной взаимосвязью с матрицей [15], его смазывающая способность ниже, чем у графита, вследствие большей по величине силе Ван-дер-Ваальса между слоями кристаллической решетки [16, 18]. В ряде работ [1, 19] приводятся сведения о достижении уникального сочетания механических и эксплуатационных свойств композиционных материалов с добавками нитрида бора, позволяющие рассматривать их в качестве материала уплотнений для проточной части паровых турбин.
Однако вопросы формирования структуры композиционных материалов с добавками h-BN и ее взаимосвязь с эксплуатационными свойствами остаются не вполне изученными и являются предметом обсуждения среди ученых.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Как было отмечено выше, разработка композиционного материала с добавками нитрида бора направлена на последующее его применение в конструкциях истираемых уплотнений паровых турбин. С учетом условий работы таких уплотнений для материала основы выбран порошок коррозионно-стойкой стали Fe-13%Cr-2%Mo с фракционностью от 10 до 80 мкм, полученный в соответствии с ГОСТ 13084-84. В качестве дисперсного наполнителя был выбран порошок гексагонального нитрида бора BN, изготовленный по ТУ.У 26.8-00222226-007-2003. Диаметр частиц нитрида бора составлял от 1 до 10 мкм, толщина частиц от 0,7 до 2 мкм.
Изучение влияния концентрации порошка BN в исходной порошковой шихте на процесс формирования структуры компактов проводилось на образцах следующего состава:
Состав "1" – прессованные заготовки из чистого порошка ПХ13М2;
Состав "2" – порошок ПХ13М2 + 0,5% BN;
Состав "3" – порошок ПХ13М2 + 1 % BN;
Состав "4" – порошок ПХ13М2 + 2% BN;
Состав "5" – порошок ПХ13М2 + 4% BN;
Состав "6" – порошок ПХ13М2 + 4,5% BN;
Состав "7" – порошок ПХ13М2 + 5% BN;
Состав "8" – порошок ПХ13М2 + 6% BN.
Исходные порошковые компоненты смешивались и подвергались тщательному перемешиванию. Время перемешивания составов определялось опытным путем из условия равномерного распределения компонентов по объему шихты. Полученная порошковая смесь подвергалась холодному прессованию в формы прямоугольного сечения 50 × 10 × 10 мм. Спекание компактов проводили в электропечах в воздушной атмосфере при температуре 1 200 °С. Время спекания 2 ч.
Микроструктура образцов изучалась на растровом электронном микроскопе JSM-6490LV и Tescan Lira 3. Количественный анализ проводили с использованием стандартных методик обсчета.
РЕЗУЛЬТАТЫ
На рис.1 представлена микроструктура композиционных компактов с различным содержанием нитрида бора. На полированной поверхности всех исследуемых образцов наблюдаются поры различной формы и размеров. В структуре компакта без нитрида бора (рис.1а) поры имеют глобулярную форму и преимущественно расположены по границам зерен, что свидетельствует о недостаточности прикладываемого усилия при прессовании для формирования более плотной структуры, вследствие возникновения большой по величине силы трения между металлическими частицами и, как следствие, ограниченности протекания процессов диффузии при последующем спекании.
Введение в состав исходной шихты нитрида бора приводит к формированию в микроструктуре протяженных зернограничных пор (рис.1b, c, d), причем чем выше содержание нитрида бора, тем больше объемная доля и размер пор. Механизм образования наблюдаемых протяженных зернограничных пор отличен от классического представления, описанного в работах [20–23]. Ввиду различной насыпной плотности у металлического порошка ПХ13М2 и нитрида бора, объем замешиваемых компонентов в шихте сопоставим.
С учетом этого, в совокупности с химической инертностью и низкой адгезионной способностью нитрида бора, можно предположить, что наблюдаемые в микроструктуре протяженные зернограничные поры являются областями с повышенной концентрацией твердой смазки, которая удаляется вместе с абразивом при подготовке объекта исследования к металлографическому анализу. Увеличение объемной доли пор с повышением содержания нитрида бора в составе исходной шихты от 0 до 6% по массе составляет от 3,5 до 17% соответственно.
Исследования в режиме фазового контраста микроструктуры компактов с различным содержанием нитрида бора при большем увеличении выявили наличие дисперсных наноразмерных, толщиной 20…200 нм, прослоек нитрида бора по границам зерен (рис.2). Причем, на отдельных границах зерен наблюдается ярко выраженная фрагментация частиц h-BN (рис.2с). Кроме этого, частицы h-BN наблюдаются и в теле сформировавшихся при спекании металлических зерен.
Обнаруженные особенности строения компактов с введением в состав исходной порошковой шихты h-BN свидетельствуют о развитии процессов диффузионного массопереноса между металлическими частицами при спекании по различным механизмам.
ОБСУЖДЕНИЕ
Полученные данные по изменению микроструктуры компактов с увеличением содержания нитрида бора позволяют рассмотреть вопрос ее формирования, предварительно разделив поставленную задачу на две составляющие: 1 – влияние деформации при прессовании, 2 – влияние высокой температуры при спекании.
На рис.3 представлена феноменологическая модель влияния деформации на формирование структуры компактов. Частицы нитрида бора, вследствие своей природной инертности, обладают низкой адгезионной способностью [24] и не могут вступить в реакцию с металлическим порошком ПХ13М2. При прессовании часть равномерно распределенных частиц h-BN в объеме шихты оказывает "смазывающий эффект", способствуя более плотному прилеганию частиц металлического порошка друг к другу. При этом частицы нитрида бора в условиях постепенного уплотнения материала частично подвержены либо прямому быстрому вытеснению в более свободные зоны пониженной плотности, где развитие процессов деформации не началось из-за недостаточности прикладываемого усилия, либо постепенному медленному вытеснению за счет разрушения взаимосвязи крайних, граничащих с металлическими частицами, слоев (расслаивание частиц нитрида бора (рис.4)). В конечном итоге направленное движение частиц нитрида бора в процессе прессования приводит к формированию в объеме компактов закрытой зернограничной пористости, заполненной частицами h-BN (области с повышенной концентрацией h-BN). При этом чем выше содержание нитрида бора в исходной шихте, тем больше объемная доля зернограничных пор.
При спекании формирование структуры происходит по модели, описанной в работе [25]. На границах раздела, в которых имеются точечные контакты металлических частиц друг с другом, или толщина нитридной прослойки настолько мала, что вследствие термического расширения порошка ПХ13М2 возможно их соприкосновение друг с другом, развиваются процессы диффузионного массопереноса, происходит образование перемычек спекания и слияние металлических частиц с образованием более крупных зерен. При этом возможно частичное поглощение частиц h-BN растущими металлическими зернами (рис.2 и 5b).
По границам раздела с большим содержанием керамических частиц и в областях с повышенной концентрацией нитрида бора развитие процессов массопереноса и рекристаллизации блокируется. Вследствие этого, в объеме компактов создаются ослабленные границы, которые и обусловливают высокие показатели истираемости [1, 19].
Таким образом, введение в состав исходной шихты мелкодисперсного порошка нитрида бора позволяет управлять прочностными свойствами границ зерен, формируемыми в процессе спекания, за счет направленного блокирования развития процессов диффузии при спекании, и, как следствие, достигать необходимого по условиям эксплуатации сочетания прочности и истираемости композиционного материала ПХ13М2-BN.
ВЫВОДЫ
Введение в состав порошковых компактов ПХ13М2 мелкодисперсного h-BN с графитоподобной структурой приводит к формированию в процессе деформации протяженной закрытой зернограничной пористости, заполненной частицами нитрида бора.
Деформационная обработка исходной шихты порошковых компактов ПХ13М2-BN приводит к образованию дисперсных наноразмерных, толщиной 20…200 нм, прослоек нитрида бора по границам зерен за счет частичного расслоения частиц h-BN.
В процессе спекания, вследствие развития процессов диффузионного массопереноса, происходит частичное поглощение растущими металлическими зернами дисперсных частиц h-BN.
Исследовательская часть работы выполнена с использованием оборудования ЦКП "Нанотех" ФГБОУ ВО "УГАТУ".
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Большаков Б.О., Галиакбаров Р.Ф., Смыслов А.М. Кулешов А.С., Усачев К.М. Металлокерамический композиционный материал для конструкций надбандажных уплотнений проточной части паровых турбин // Электрические станции. 2020. № 5. С. 25–30.
Жуков С.В., Кистойчев А.В., Шапошников К.В., Урьев Е.В. Анализ использования сотовых уплотнений в конструкциях паровых турбин // Электрические станции. 2013. № 2. С. 27–31.
Ding C.H., Liu C.H., Yang Z.M., Wang Y.P., Sun Z.B., Yu L. Effect of size refinement and distribution of lubricants on friction coefficient of high temperature selflubricating composites // Compos Sci Technol. 2010. V. 70. PP. 1000–1005.
Kato H., Takama M., Iwai Y., Washida K., Sasaki Y. Wear and mechanical properties of sintered copper–tin composites containing graphite or molybdenum disulfide // Wear. 2003. V. 255. PP. 573–580.
Sutor P. Solid lubricants: overview and recent developments // MRS Bull. 16 (1991). PP. 24–30.
Clauss F.J. Low-Friction Inorganic Solids, in: Solid Lubr. Self-Lubricating Solids. Elsevier, 1972. PP. 15–41.
Lancaster J. Solid Lubricants, in: CRC Handb. Lubr., CRC Press, 1988. PP. 269–290.
McMurtrey E.L., Lubrication Handbook for the Space Industry – Part A, Solid Lubricants, NASA TM-86556, Marshall Space Flight Center, 1985.
Sliney H.E. Solid lubricant materials for high temperatures – A review. Tribol. Int. 15 1982. PP. 303–315.
Lansdown A.R. Molybdenum Disulphide Lubrication. Tribology Series, 35, Elsevier Science, Amsterdam, 1999.
Lansdown A.R. High temperature lubrication. Mechanical Engineering Publications; 1994.
Saito T., Honda F. Chemical contribution to friction behavior of sintered hexagonal boron nitride in water // Wear. 2000. V. 237. PP. 253–60.
Du L., Huang C., Zhang W., Li T., Liu W. Preparation and wear performance of NiCr/Cr3C2–NiCr/hBN plasma sprayed composite coating. Surf Coat Technol. 2011. V. 205. PP. 3722–3729.
Tyagi R., Xiong D., Li J. Effect of load and sliding speed on friction and wear behavior of silver/h-BN containing Ni-base P/M composites // Wear. 2011. V. 270. PP. 423–430.
Chen B., Bi Q., Yang J., Xia Y., Hao J. Tribological properties of solid lubricants (graphite, h-BN) for Cu-based P/M friction composites. Tribol Int. 2008. V. 41. PP. 1145–1152.
Tyagi R., Xiong D., Li J., Dai J. High-temperature friction and wear of Ag/h-BNcontaining Ni-based composites against steel. Tribol Lett. 2010. V. 40. PP. 181–186.
Mahathanabodee S., Palathai T., Raadnui S., Tongsri R., Sombatsompop N. Dry sliding wear behavior of SS316L composites containing h-BN and MoS2 solid lubricants. Wear. 2014. V. 316. PP. 37–48.
Gisele Hammes, Kelen Juliane Mucelin, Priscila da Costa Gonçalves, Cristiano Binder, Roberto Binder, Rolf Janssen, Aloisio Nelmo Klein, José Daniel Biasoli de Mello. Effect of hexagonal boron nitride and graphite on mechanical and scuffing resistance of self lubricating iron based composite // Wear. 2017. V. 376–377. PP. 1084–1090.
Большаков Б.О., Галиакбаров Р.Ф., Смыслов А.М., Лисянский А.С., Усачев К.М. Металлокерамический композитный материал для надбандажных уплотнений проточной части паровых турбин // Вестник УГАТУ. 2019. Т. 23. № 4. С. 11–17.
Exner H., Petzow G. Sintering and rearrangement during sintering of glass spheres Sintering and catalisys. New York: Plenum press, 1976. PP. 279–293.
Shinohara N., Okumiya M., Hotta T. Morphological changes in processrelated large pores of granular compacted and sintered alumina. J. Amer. Ceram. Soc. 2000. V. 87. No. 7. PP. 1633–1640.
Бальшин М.Ю. Порошковое металловедение. М.: Металлургиздат, 1948, 332 с.
Liniger E., Raj R. Packing and sintering of twodimensional structures made from bimodal particle size distributions // J. Amer. Ceram. Soc. 1987. V. 70. No 11. PP. 843–849.
Kostoglou N., Polychronopoulou K., Rebholz C. Thermal and chemical stability of hexagonal boron nitride (h-BN) nanoplatelets. Vacuum. 2015. V. 112. PP. 42–45.
Ting Li, Danqing Yi, Jun Hu, Jiao Xu, Junlei Liu, Bin Wang. Surface modification of h-BN and its influence on the mechanical properties of CuSn10/h-BN composites // Journal of Alloys and Compounds. 2017. V. 723. PP. 345–353.
MECHANISM OF FORMATION OF NANODISPERSED BORON NITRIDE LAYERS IN PKH13M2-BN POWDER COMPACTS
Б.О.Большаков1, вед. инженер, (ORCID: 0000-0002-5945-7123), Р.Ф.Галиакбаров1, зам. директора,
(ORCID 0000-0002-4966-8437), А.М.Смыслов2, д.т.н., проф., (ORCID 0000-0003-3530-8833) / bobolshakov@gmail.com
B.O.Bolshakov1, Leading Engineer, R.F.Galiakbarov1, Associate Director, A.M.Smyslov2, Doct. of Sc. (Technical), Prof.
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.1.36.42
Получено: 30.11.2020 г.
В работе рассмотрен вопрос формирования структуры порошковых компактов ПХ13М2-BN, полученных твердофазным вспеканием. Представлены механизмы формирования нанодисперсных прослоек BN по границам зерен компактов и феноменологическая модель формирования областей с повышенной концентрацией керамических частиц в объеме материала.
This paper considers formation of PCh13M2-BN powder compact structure obtained by solid-phase sintering. The mechanism of the formation of nanodispersed BN interlayers along the grain boundaries of compacts and a phenomenological model of the formation of regions with the increased concentration of ceramic particles in the bulk of the material are presented.
ВВЕДЕНИЕ
Вопросы повышения надежности, стабильности и экономичности паровых турбин различной мощности неразрывно связаны с применяемыми в их конструкциях типами уплотнений [1, 2]. Накопленный мировой опыт эксплуатации паровых турбин с сотовыми, щеточными уплотнениями и уплотнениями, наносимыми газотермическим напылением, свидетельствует о необходимости разработки нового класса истираемых материалов на металлической основе с дисперсными добавками соединений, относящихся к категории твердой смазки (MoS2, BaF2, CaF2, h-BN и др.) [3–10]. При этом наиболее перспективным подходом равномерного введения дисперсных добавок в объем формируемых изделий является использование технологии порошковой металлургии.
Из всего разнообразия неметаллических соединений, относящихся к твердой смазке, хорошими смазывающими способностями в условиях повышенной влажности и возможностью применения в интервале температур до 700 °С обладает h-BN [11, 12].
Известны работы [13–18], в которых авторы оценивали влияние концентрации гексагонального нитрида бора на механические и трибологические свойства композиционных материалов на различной основе. Установлено, что введение нитрида бора в состав материалов приводит к снижению трения при высоких нагрузках и скоростях [13–15, 17], h-BN обладает низкой адгезионной взаимосвязью с матрицей [15], его смазывающая способность ниже, чем у графита, вследствие большей по величине силе Ван-дер-Ваальса между слоями кристаллической решетки [16, 18]. В ряде работ [1, 19] приводятся сведения о достижении уникального сочетания механических и эксплуатационных свойств композиционных материалов с добавками нитрида бора, позволяющие рассматривать их в качестве материала уплотнений для проточной части паровых турбин.
Однако вопросы формирования структуры композиционных материалов с добавками h-BN и ее взаимосвязь с эксплуатационными свойствами остаются не вполне изученными и являются предметом обсуждения среди ученых.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Как было отмечено выше, разработка композиционного материала с добавками нитрида бора направлена на последующее его применение в конструкциях истираемых уплотнений паровых турбин. С учетом условий работы таких уплотнений для материала основы выбран порошок коррозионно-стойкой стали Fe-13%Cr-2%Mo с фракционностью от 10 до 80 мкм, полученный в соответствии с ГОСТ 13084-84. В качестве дисперсного наполнителя был выбран порошок гексагонального нитрида бора BN, изготовленный по ТУ.У 26.8-00222226-007-2003. Диаметр частиц нитрида бора составлял от 1 до 10 мкм, толщина частиц от 0,7 до 2 мкм.
Изучение влияния концентрации порошка BN в исходной порошковой шихте на процесс формирования структуры компактов проводилось на образцах следующего состава:
Состав "1" – прессованные заготовки из чистого порошка ПХ13М2;
Состав "2" – порошок ПХ13М2 + 0,5% BN;
Состав "3" – порошок ПХ13М2 + 1 % BN;
Состав "4" – порошок ПХ13М2 + 2% BN;
Состав "5" – порошок ПХ13М2 + 4% BN;
Состав "6" – порошок ПХ13М2 + 4,5% BN;
Состав "7" – порошок ПХ13М2 + 5% BN;
Состав "8" – порошок ПХ13М2 + 6% BN.
Исходные порошковые компоненты смешивались и подвергались тщательному перемешиванию. Время перемешивания составов определялось опытным путем из условия равномерного распределения компонентов по объему шихты. Полученная порошковая смесь подвергалась холодному прессованию в формы прямоугольного сечения 50 × 10 × 10 мм. Спекание компактов проводили в электропечах в воздушной атмосфере при температуре 1 200 °С. Время спекания 2 ч.
Микроструктура образцов изучалась на растровом электронном микроскопе JSM-6490LV и Tescan Lira 3. Количественный анализ проводили с использованием стандартных методик обсчета.
РЕЗУЛЬТАТЫ
На рис.1 представлена микроструктура композиционных компактов с различным содержанием нитрида бора. На полированной поверхности всех исследуемых образцов наблюдаются поры различной формы и размеров. В структуре компакта без нитрида бора (рис.1а) поры имеют глобулярную форму и преимущественно расположены по границам зерен, что свидетельствует о недостаточности прикладываемого усилия при прессовании для формирования более плотной структуры, вследствие возникновения большой по величине силы трения между металлическими частицами и, как следствие, ограниченности протекания процессов диффузии при последующем спекании.
Введение в состав исходной шихты нитрида бора приводит к формированию в микроструктуре протяженных зернограничных пор (рис.1b, c, d), причем чем выше содержание нитрида бора, тем больше объемная доля и размер пор. Механизм образования наблюдаемых протяженных зернограничных пор отличен от классического представления, описанного в работах [20–23]. Ввиду различной насыпной плотности у металлического порошка ПХ13М2 и нитрида бора, объем замешиваемых компонентов в шихте сопоставим.
С учетом этого, в совокупности с химической инертностью и низкой адгезионной способностью нитрида бора, можно предположить, что наблюдаемые в микроструктуре протяженные зернограничные поры являются областями с повышенной концентрацией твердой смазки, которая удаляется вместе с абразивом при подготовке объекта исследования к металлографическому анализу. Увеличение объемной доли пор с повышением содержания нитрида бора в составе исходной шихты от 0 до 6% по массе составляет от 3,5 до 17% соответственно.
Исследования в режиме фазового контраста микроструктуры компактов с различным содержанием нитрида бора при большем увеличении выявили наличие дисперсных наноразмерных, толщиной 20…200 нм, прослоек нитрида бора по границам зерен (рис.2). Причем, на отдельных границах зерен наблюдается ярко выраженная фрагментация частиц h-BN (рис.2с). Кроме этого, частицы h-BN наблюдаются и в теле сформировавшихся при спекании металлических зерен.
Обнаруженные особенности строения компактов с введением в состав исходной порошковой шихты h-BN свидетельствуют о развитии процессов диффузионного массопереноса между металлическими частицами при спекании по различным механизмам.
ОБСУЖДЕНИЕ
Полученные данные по изменению микроструктуры компактов с увеличением содержания нитрида бора позволяют рассмотреть вопрос ее формирования, предварительно разделив поставленную задачу на две составляющие: 1 – влияние деформации при прессовании, 2 – влияние высокой температуры при спекании.
На рис.3 представлена феноменологическая модель влияния деформации на формирование структуры компактов. Частицы нитрида бора, вследствие своей природной инертности, обладают низкой адгезионной способностью [24] и не могут вступить в реакцию с металлическим порошком ПХ13М2. При прессовании часть равномерно распределенных частиц h-BN в объеме шихты оказывает "смазывающий эффект", способствуя более плотному прилеганию частиц металлического порошка друг к другу. При этом частицы нитрида бора в условиях постепенного уплотнения материала частично подвержены либо прямому быстрому вытеснению в более свободные зоны пониженной плотности, где развитие процессов деформации не началось из-за недостаточности прикладываемого усилия, либо постепенному медленному вытеснению за счет разрушения взаимосвязи крайних, граничащих с металлическими частицами, слоев (расслаивание частиц нитрида бора (рис.4)). В конечном итоге направленное движение частиц нитрида бора в процессе прессования приводит к формированию в объеме компактов закрытой зернограничной пористости, заполненной частицами h-BN (области с повышенной концентрацией h-BN). При этом чем выше содержание нитрида бора в исходной шихте, тем больше объемная доля зернограничных пор.
При спекании формирование структуры происходит по модели, описанной в работе [25]. На границах раздела, в которых имеются точечные контакты металлических частиц друг с другом, или толщина нитридной прослойки настолько мала, что вследствие термического расширения порошка ПХ13М2 возможно их соприкосновение друг с другом, развиваются процессы диффузионного массопереноса, происходит образование перемычек спекания и слияние металлических частиц с образованием более крупных зерен. При этом возможно частичное поглощение частиц h-BN растущими металлическими зернами (рис.2 и 5b).
По границам раздела с большим содержанием керамических частиц и в областях с повышенной концентрацией нитрида бора развитие процессов массопереноса и рекристаллизации блокируется. Вследствие этого, в объеме компактов создаются ослабленные границы, которые и обусловливают высокие показатели истираемости [1, 19].
Таким образом, введение в состав исходной шихты мелкодисперсного порошка нитрида бора позволяет управлять прочностными свойствами границ зерен, формируемыми в процессе спекания, за счет направленного блокирования развития процессов диффузии при спекании, и, как следствие, достигать необходимого по условиям эксплуатации сочетания прочности и истираемости композиционного материала ПХ13М2-BN.
ВЫВОДЫ
Введение в состав порошковых компактов ПХ13М2 мелкодисперсного h-BN с графитоподобной структурой приводит к формированию в процессе деформации протяженной закрытой зернограничной пористости, заполненной частицами нитрида бора.
Деформационная обработка исходной шихты порошковых компактов ПХ13М2-BN приводит к образованию дисперсных наноразмерных, толщиной 20…200 нм, прослоек нитрида бора по границам зерен за счет частичного расслоения частиц h-BN.
В процессе спекания, вследствие развития процессов диффузионного массопереноса, происходит частичное поглощение растущими металлическими зернами дисперсных частиц h-BN.
Исследовательская часть работы выполнена с использованием оборудования ЦКП "Нанотех" ФГБОУ ВО "УГАТУ".
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Большаков Б.О., Галиакбаров Р.Ф., Смыслов А.М. Кулешов А.С., Усачев К.М. Металлокерамический композиционный материал для конструкций надбандажных уплотнений проточной части паровых турбин // Электрические станции. 2020. № 5. С. 25–30.
Жуков С.В., Кистойчев А.В., Шапошников К.В., Урьев Е.В. Анализ использования сотовых уплотнений в конструкциях паровых турбин // Электрические станции. 2013. № 2. С. 27–31.
Ding C.H., Liu C.H., Yang Z.M., Wang Y.P., Sun Z.B., Yu L. Effect of size refinement and distribution of lubricants on friction coefficient of high temperature selflubricating composites // Compos Sci Technol. 2010. V. 70. PP. 1000–1005.
Kato H., Takama M., Iwai Y., Washida K., Sasaki Y. Wear and mechanical properties of sintered copper–tin composites containing graphite or molybdenum disulfide // Wear. 2003. V. 255. PP. 573–580.
Sutor P. Solid lubricants: overview and recent developments // MRS Bull. 16 (1991). PP. 24–30.
Clauss F.J. Low-Friction Inorganic Solids, in: Solid Lubr. Self-Lubricating Solids. Elsevier, 1972. PP. 15–41.
Lancaster J. Solid Lubricants, in: CRC Handb. Lubr., CRC Press, 1988. PP. 269–290.
McMurtrey E.L., Lubrication Handbook for the Space Industry – Part A, Solid Lubricants, NASA TM-86556, Marshall Space Flight Center, 1985.
Sliney H.E. Solid lubricant materials for high temperatures – A review. Tribol. Int. 15 1982. PP. 303–315.
Lansdown A.R. Molybdenum Disulphide Lubrication. Tribology Series, 35, Elsevier Science, Amsterdam, 1999.
Lansdown A.R. High temperature lubrication. Mechanical Engineering Publications; 1994.
Saito T., Honda F. Chemical contribution to friction behavior of sintered hexagonal boron nitride in water // Wear. 2000. V. 237. PP. 253–60.
Du L., Huang C., Zhang W., Li T., Liu W. Preparation and wear performance of NiCr/Cr3C2–NiCr/hBN plasma sprayed composite coating. Surf Coat Technol. 2011. V. 205. PP. 3722–3729.
Tyagi R., Xiong D., Li J. Effect of load and sliding speed on friction and wear behavior of silver/h-BN containing Ni-base P/M composites // Wear. 2011. V. 270. PP. 423–430.
Chen B., Bi Q., Yang J., Xia Y., Hao J. Tribological properties of solid lubricants (graphite, h-BN) for Cu-based P/M friction composites. Tribol Int. 2008. V. 41. PP. 1145–1152.
Tyagi R., Xiong D., Li J., Dai J. High-temperature friction and wear of Ag/h-BNcontaining Ni-based composites against steel. Tribol Lett. 2010. V. 40. PP. 181–186.
Mahathanabodee S., Palathai T., Raadnui S., Tongsri R., Sombatsompop N. Dry sliding wear behavior of SS316L composites containing h-BN and MoS2 solid lubricants. Wear. 2014. V. 316. PP. 37–48.
Gisele Hammes, Kelen Juliane Mucelin, Priscila da Costa Gonçalves, Cristiano Binder, Roberto Binder, Rolf Janssen, Aloisio Nelmo Klein, José Daniel Biasoli de Mello. Effect of hexagonal boron nitride and graphite on mechanical and scuffing resistance of self lubricating iron based composite // Wear. 2017. V. 376–377. PP. 1084–1090.
Большаков Б.О., Галиакбаров Р.Ф., Смыслов А.М., Лисянский А.С., Усачев К.М. Металлокерамический композитный материал для надбандажных уплотнений проточной части паровых турбин // Вестник УГАТУ. 2019. Т. 23. № 4. С. 11–17.
Exner H., Petzow G. Sintering and rearrangement during sintering of glass spheres Sintering and catalisys. New York: Plenum press, 1976. PP. 279–293.
Shinohara N., Okumiya M., Hotta T. Morphological changes in processrelated large pores of granular compacted and sintered alumina. J. Amer. Ceram. Soc. 2000. V. 87. No. 7. PP. 1633–1640.
Бальшин М.Ю. Порошковое металловедение. М.: Металлургиздат, 1948, 332 с.
Liniger E., Raj R. Packing and sintering of twodimensional structures made from bimodal particle size distributions // J. Amer. Ceram. Soc. 1987. V. 70. No 11. PP. 843–849.
Kostoglou N., Polychronopoulou K., Rebholz C. Thermal and chemical stability of hexagonal boron nitride (h-BN) nanoplatelets. Vacuum. 2015. V. 112. PP. 42–45.
Ting Li, Danqing Yi, Jun Hu, Jiao Xu, Junlei Liu, Bin Wang. Surface modification of h-BN and its influence on the mechanical properties of CuSn10/h-BN composites // Journal of Alloys and Compounds. 2017. V. 723. PP. 345–353.
Отзывы читателей
