Структура и свойства композита W—50%(об. )Cu, полученного с применением порошка вольфрама, активированного размолом в шаровой мельнице

Изучены условия уплотнения образцов из смеси W–50% (об.) Cu, изготовленной с применением порошка вольфрама, активированного размолом в шаровой мельнице. Методом ударного спекания в диапазоне Т = 900—1000 °С с использованием в качестве восстановителя раствора сахарозы из указанной шихты получены обра...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:	Электрические контакты и электроды
Datum:	2014
Hauptverfasser:	Крячко, Л.А., Лаптев, А.В., Толочин, А.И., Бега, Н.Д., Евич, Я.И., Головкова, М.Е, Лебедь, А.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України 2014
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103988
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Структура и свойства композита W—50%(об. )Cu, полученного с применением порошка вольфрама, активированного размолом в шаровой мельнице / Л.А. Крячко, А.В. Лаптев, А.И. Толочин, Н.Д. Бега, Я.И. Евич, М.Е. Головкова, А.В. Лебедь // Электрические контакты и электроды. — К.: ИПМ НАН України, 2014. — С. 75-89. — Бібліогр.: 34 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-103988
record_format	dspace
spelling	Крячко, Л.А. Лаптев, А.В. Толочин, А.И. Бега, Н.Д. Евич, Я.И. Головкова, М.Е Лебедь, А.В. 2016-06-28T20:26:41Z 2016-06-28T20:26:41Z 2014 Структура и свойства композита W—50%(об. )Cu, полученного с применением порошка вольфрама, активированного размолом в шаровой мельнице / Л.А. Крячко, А.В. Лаптев, А.И. Толочин, Н.Д. Бега, Я.И. Евич, М.Е. Головкова, А.В. Лебедь // Электрические контакты и электроды. — К.: ИПМ НАН України, 2014. — С. 75-89. — Бібліогр.: 34 назв. — рос. 2311-0627 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103988 621.762:621.3 Изучены условия уплотнения образцов из смеси W–50% (об.) Cu, изготовленной с применением порошка вольфрама, активированного размолом в шаровой мельнице. Методом ударного спекания в диапазоне Т = 900—1000 °С с использованием в качестве восстановителя раствора сахарозы из указанной шихты получены образцы с равномерной структурой, относительной плотностью 97—98,3% и повышенными механическими характеристиками (σизг =1170 МПа, HV = 3176 МПа). Обнаружены различные формы кристаллизации W из расплава, образующегося под действием дугового разряда на поверхности электродов из исследуемой композиции. Вивчено умови ущільнення зразків із суміші W—50% (об.) Cu, виготовленої із застосуванням порошку вольфраму, активованого розмелом в шаровому млині. Методом ударного спікання в діапазоні Т = 900—1000 °С з використанням в якості відновлювача розчину сахарози із вказаної шихти одержано зразки з рівномірною структурою, відносною щільністю 97—98,3% і підвищеними механічними характеристиками (σзг. = 1170 МПа, HV = 3176 МПа). Виявлено різні форми кристалізації W з розплаву, що утворюються під дією дугового розряду на поверхні електродів з досліджуваної композиції. The conditions for sealing samples of the mixture W—50% (vol.) Cu made using tungsten powder activated by grinding in a ball mil l were studied. Impact sintering in a range of T = 900—1000 °C, using sucrose as a reductant from said charge received the samples with a uniform structure, 97—98,3% relative density and improved mechanical characteristics (Rbm = 1170 MPa, HV = 3,176 MPa). Found various forms W crystallization from a melt formed by the action of the arc on the electrode surface of the test composition. ru Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України Электрические контакты и электроды Структура и свойства композита W—50%(об. )Cu, полученного с применением порошка вольфрама, активированного размолом в шаровой мельнице Структура і властивості композита W—50% (об.) Cu, одержаного із застосуванням порошку вольфраму, активованого розмелом у шаровому млині The structure and properties of the composite W—50% (vol.) Cu, prepared using a tungsten powder, activated by grinding in a ball mill Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Структура и свойства композита W—50%(об. )Cu, полученного с применением порошка вольфрама, активированного размолом в шаровой мельнице
spellingShingle	Структура и свойства композита W—50%(об. )Cu, полученного с применением порошка вольфрама, активированного размолом в шаровой мельнице Крячко, Л.А. Лаптев, А.В. Толочин, А.И. Бега, Н.Д. Евич, Я.И. Головкова, М.Е Лебедь, А.В.
title_short	Структура и свойства композита W—50%(об. )Cu, полученного с применением порошка вольфрама, активированного размолом в шаровой мельнице
title_full	Структура и свойства композита W—50%(об. )Cu, полученного с применением порошка вольфрама, активированного размолом в шаровой мельнице
title_fullStr	Структура и свойства композита W—50%(об. )Cu, полученного с применением порошка вольфрама, активированного размолом в шаровой мельнице
title_full_unstemmed	Структура и свойства композита W—50%(об. )Cu, полученного с применением порошка вольфрама, активированного размолом в шаровой мельнице
title_sort	структура и свойства композита w—50%(об. )cu, полученного с применением порошка вольфрама, активированного размолом в шаровой мельнице
author	Крячко, Л.А. Лаптев, А.В. Толочин, А.И. Бега, Н.Д. Евич, Я.И. Головкова, М.Е Лебедь, А.В.
author_facet	Крячко, Л.А. Лаптев, А.В. Толочин, А.И. Бега, Н.Д. Евич, Я.И. Головкова, М.Е Лебедь, А.В.
publishDate	2014
language	Russian
container_title	Электрические контакты и электроды
publisher	Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України
format	Article
title_alt	Структура і властивості композита W—50% (об.) Cu, одержаного із застосуванням порошку вольфраму, активованого розмелом у шаровому млині The structure and properties of the composite W—50% (vol.) Cu, prepared using a tungsten powder, activated by grinding in a ball mill
description	Изучены условия уплотнения образцов из смеси W–50% (об.) Cu, изготовленной с применением порошка вольфрама, активированного размолом в шаровой мельнице. Методом ударного спекания в диапазоне Т = 900—1000 °С с использованием в качестве восстановителя раствора сахарозы из указанной шихты получены образцы с равномерной структурой, относительной плотностью 97—98,3% и повышенными механическими характеристиками (σизг =1170 МПа, HV = 3176 МПа). Обнаружены различные формы кристаллизации W из расплава, образующегося под действием дугового разряда на поверхности электродов из исследуемой композиции. Вивчено умови ущільнення зразків із суміші W—50% (об.) Cu, виготовленої із застосуванням порошку вольфраму, активованого розмелом в шаровому млині. Методом ударного спікання в діапазоні Т = 900—1000 °С з використанням в якості відновлювача розчину сахарози із вказаної шихти одержано зразки з рівномірною структурою, відносною щільністю 97—98,3% і підвищеними механічними характеристиками (σзг. = 1170 МПа, HV = 3176 МПа). Виявлено різні форми кристалізації W з розплаву, що утворюються під дією дугового розряду на поверхні електродів з досліджуваної композиції. The conditions for sealing samples of the mixture W—50% (vol.) Cu made using tungsten powder activated by grinding in a ball mil l were studied. Impact sintering in a range of T = 900—1000 °C, using sucrose as a reductant from said charge received the samples with a uniform structure, 97—98,3% relative density and improved mechanical characteristics (Rbm = 1170 MPa, HV = 3,176 MPa). Found various forms W crystallization from a melt formed by the action of the arc on the electrode surface of the test composition.
issn	2311-0627
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103988
citation_txt	Структура и свойства композита W—50%(об. )Cu, полученного с применением порошка вольфрама, активированного размолом в шаровой мельнице / Л.А. Крячко, А.В. Лаптев, А.И. Толочин, Н.Д. Бега, Я.И. Евич, М.Е. Головкова, А.В. Лебедь // Электрические контакты и электроды. — К.: ИПМ НАН України, 2014. — С. 75-89. — Бібліогр.: 34 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT krâčkola strukturaisvoistvakompozitaw50obcupolučennogosprimeneniemporoškavolʹframaaktivirovannogorazmolomvšarovoimelʹnice AT laptevav strukturaisvoistvakompozitaw50obcupolučennogosprimeneniemporoškavolʹframaaktivirovannogorazmolomvšarovoimelʹnice AT toločinai strukturaisvoistvakompozitaw50obcupolučennogosprimeneniemporoškavolʹframaaktivirovannogorazmolomvšarovoimelʹnice AT begand strukturaisvoistvakompozitaw50obcupolučennogosprimeneniemporoškavolʹframaaktivirovannogorazmolomvšarovoimelʹnice AT evičâi strukturaisvoistvakompozitaw50obcupolučennogosprimeneniemporoškavolʹframaaktivirovannogorazmolomvšarovoimelʹnice AT golovkovame strukturaisvoistvakompozitaw50obcupolučennogosprimeneniemporoškavolʹframaaktivirovannogorazmolomvšarovoimelʹnice AT lebedʹav strukturaisvoistvakompozitaw50obcupolučennogosprimeneniemporoškavolʹframaaktivirovannogorazmolomvšarovoimelʹnice AT krâčkola strukturaívlastivostíkompozitaw50obcuoderžanogoízzastosuvannâmporoškuvolʹframuaktivovanogorozmelomušarovomumliní AT laptevav strukturaívlastivostíkompozitaw50obcuoderžanogoízzastosuvannâmporoškuvolʹframuaktivovanogorozmelomušarovomumliní AT toločinai strukturaívlastivostíkompozitaw50obcuoderžanogoízzastosuvannâmporoškuvolʹframuaktivovanogorozmelomušarovomumliní AT begand strukturaívlastivostíkompozitaw50obcuoderžanogoízzastosuvannâmporoškuvolʹframuaktivovanogorozmelomušarovomumliní AT evičâi strukturaívlastivostíkompozitaw50obcuoderžanogoízzastosuvannâmporoškuvolʹframuaktivovanogorozmelomušarovomumliní AT golovkovame strukturaívlastivostíkompozitaw50obcuoderžanogoízzastosuvannâmporoškuvolʹframuaktivovanogorozmelomušarovomumliní AT lebedʹav strukturaívlastivostíkompozitaw50obcuoderžanogoízzastosuvannâmporoškuvolʹframuaktivovanogorozmelomušarovomumliní AT krâčkola thestructureandpropertiesofthecompositew50volcupreparedusingatungstenpowderactivatedbygrindinginaballmill AT laptevav thestructureandpropertiesofthecompositew50volcupreparedusingatungstenpowderactivatedbygrindinginaballmill AT toločinai thestructureandpropertiesofthecompositew50volcupreparedusingatungstenpowderactivatedbygrindinginaballmill AT begand thestructureandpropertiesofthecompositew50volcupreparedusingatungstenpowderactivatedbygrindinginaballmill AT evičâi thestructureandpropertiesofthecompositew50volcupreparedusingatungstenpowderactivatedbygrindinginaballmill AT golovkovame thestructureandpropertiesofthecompositew50volcupreparedusingatungstenpowderactivatedbygrindinginaballmill AT lebedʹav thestructureandpropertiesofthecompositew50volcupreparedusingatungstenpowderactivatedbygrindinginaballmill
first_indexed	2025-11-24T06:05:52Z
last_indexed	2025-11-24T06:05:52Z
_version_	1850844050462081024
fulltext	75 УДК 621.762:621.3 Структура и свойства композита W—50% (об.) Cu, полученного с применением порошка вольфрама, активированного размолом в шаровой мельнице Л. А. Крячко, А. В. Лаптев, А. И. Толочин, Н. Д. Бега, Я. И. Евич, М. Е. Головкова, А. В. Лебедь* Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины, Киев, e-mail: 29min@ipms.kiev.ua *Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Украина, e-mail: van@univ.kiev.ua Изучены условия уплотнения образцов из смеси W–50% (об.) Cu, изготовленной с применением порошка вольфрама, активированного размолом в шаровой мельнице. Методом ударного спекания в диапазоне Т = 900—1000 оС с исполь- зованием в качестве восстановителя раствора сахарозы из указанной шихты получены образцы с равномерной структурой, относительной плотностью 97— 98,3% и повышенными механическими характеристиками (σизг =1170 МПа, HV = = 3176 МПа). Обнаружены различные формы кристаллизации W из расплава, образующегося под действием дугового разряда на поверхности электродов из исследуемой композиции. Ключевые слова: композиционный материал, активированный размолом порошок вольфрама, ударное спекание, микроструктура композита W—Cu, рабочая поверхность электродов. Введение Вольфрамомедные композиционные материалы используют в электротехнической и электронной промышленности в качестве средне- и тяжелонагруженных электрических контактов, электродов для контактной сварки и электроэрозионной обработки, в производстве микроэлек- тронных плат и т. д. Несмотря на их широкую известность и распространенность применения, работы по усовершенствованию технологии изготовления этих материалов продолжаются до настоящего времени. Проблема заключается в незначительной растворимости компонентов в системе W—Cu [1], вследствие чего непосредственным механическим смешиванием исходных металлов с применением как твердофазного, так и жидкофазного спекания прессованных деталей невозможно получить высокоплотные изделия из смесей, содержащих менее 30—40% (об.) Cu [2, 3]. Для повышения плотности деталей используют последующие операции допрессовки, повторного спекания, прокатки, горячего изостатического прессования и т. д. [4—7]. Достаточно распространенным является метод пропитки вольфрамового скелета расплавом меди [8, 9], в том числе с применением активаторов спекания (Ni, Co и др.), улучшающих смачиваемость вольфрама жидкой медью [10—13], что © Л. А. Крячко, А. В. Лаптев, А. И. Толочин, Н. Д. Бега, Я. И. Евич, М. Е. Головкова, А. В. Лебедь, 2014 mailto:29min@ipms.kiev.ua 76 способствует повышению эффективности пропитки. Положительный результат использования таких активаторов получен и при жидкофазном спекании W—Cu композитов [14]. Одним из вариантов этого процесса является применение порошка W с предварительно нанесенным на него покрытием, чаще всего из никеля. В этом случае оптимизируется перестройка частиц и достигается более высокое уплотнение, чем у образцов из механической смеси того же состава [15]. Многочисленными исследованиями установлено, что способность к спеканию значительно возрастает при использовании высокодисперсных смесей, которые могут быть получены различными способами, в частности совместным размолом порошков металлов [16—20]. В то же время, как следует из работы [16], после размола в планетарной мельнице в течение 92 ч смеси W—Cu, содержащей ≈50% (об.) W с размером частиц d = 0,54 мкм, в готовой смеси еще оставались частицы пластинчатой формы размером до 10 мкм. Анализ литературных данных о методах повышения уплотняемости W—Cu композитов свидетельствует, что эти исследования нацелены преимущественно на конечный результат — достижение свойств деталей, максимально приближенных к теоретическим значениям. При этом активация металлических порошков, как инструмент достижения резуль- тата, обычно подробно не рассматривается. Однако любой способ измель- чения является механоактивацией, поскольку под действием внешних сил увеличивается запас энергии измельчаемого вещества [21, 22]. Условия измельчения существенно влияют на дисперсность, морфологию, дефект- ность частиц [23]. Известно, что пластическая деформация в той или иной степени всегда сопровождает разрушение даже достаточно хрупких материалов [24]. Так, результаты исследования особенностей разрушения и пластической деформации при прокатке порошков нитридов бора, алюминия, кремния [25—30] свидетельствуют о существенном изменении их структурного состояния, что обеспечивает активацию порошков в последующих техно- логических процессах и улучшение свойств готовых изделий. В отношении порошков вольфрама и меди аналогичных сведений весьма мало. В част- ности, исследование влияния размола порошка вольфрама в шаровой мельнице на его свойства показало [31], что эффективное диспергирование порошка имеет место только на начальных стадиях процесса, которое сопровождается резким увеличением уровня микронапряжений в частицах до 1,2 ГПа, последующим его слабым ростом и стабилизацией на уровне 1,6 ГПа. Появление сквозной пористости в деформированных частицах порошка свидетельствовало о достижении ими предельной степени наклепа, однако направленное интенсивное измельчение порошка W при этом тормо- зилось конкурирующим процессом агломерации диспергированных частиц. Как известно, изготовление деталей из композиции W—Cu требует их спекания в водороде при достаточно высоких температурах (≥1200 оС) с выдержкой в течение ≥2 ч. В то же время метод ударного спекания (УС) позволяет получить высокоплотные детали при значительно более низких температурах и коротких выдержках [32]. С учетом изложенного целью работы было исследование влияния условий УС на структуру и физико-механические свойства образцов, 77 изготовленных из композиции W—50% (об.) Cu с использованием порошка вольфрама, активированного размолом в шаровой мельнице. Материалы, методика изготовления и методы исследования В качестве исходных компонентов для изготовления шихты состава W—50% (об.) Cu использовали порошок вольфрама после 48 ч размола [31] и оксид меди Cu2O в состоянии поставки. Смешивание порошков проводили в тех же условиях, что и размол W: 48 ч в среде ацетона при соотношении твердосплавных шаров и смеси 6 : 1 — за счет этого предполагалось дополнительно измельчить вольфрам и обеспечить качественный контакт между частицами разнородных компонентов. Полученную смесь сушили в вакуумном шкафу и просеивали через сито. Для оценки удельной поверхности порошков применяли метод тепловой десорбции азота (установка МРР2). Металлографические иссле- дования проводили на электронном микроскопе Superprobe-733. Плот- ность образцов определяли гидростатическим методом. Рентгенофазовый анализ выполняли на дифрактометре ДРОН-4 в CuKα-фильтрованном излучении с использованием кремния в качестве эталона. Запись дифрак- тограмм осуществляли пошаговым сканированием с шагом 0,05 градуса. Образцы изготовляли методом УС на экспериментальной установке, представляющей собой комбинацию быстродействующего газогидравли- ческого молота, изготовленного по бесшаботной схеме, и нагревательного устройства, в котором нагрев осуществляется прямым пропусканием тока через графитовую втулку с расположенным внутри образцом. Время уплотнения с одновременной термомеханической обработкой предвари- тельно нагретой заготовки составляло (4—8)⋅10-3 с. Спрессованные на холоду брикеты загружали в камеру установки, нагревали до заданной температуры и выдерживали в течение 20 мин, после чего их уплотняли в закрытой матрице. Спекание и прессование брикетов проводили в вакууме 0,0133 Па, давление прессования составляло ~1200 МПа. Температуру термической обработки варьировали в пределах 900—1050 оС. Испытания на изгиб образцов сечением 4х4 мм осуществляли по трехточечной схеме нагружения на машине CERAM TEST с автомати- ческой регистрацией экспериментальных данных с помощью компьютера. Расстояние между опорами составляло 20 мм. Твердость HV образцов измеряли на универсальном твердомере 2137ТУ, электросопротивление — с помощью одинарно-двойного моста Р3009. Результаты исследований и их обсуждение В работе [31] показано, что при размоле в шаровой мельнице порошок вольфрама пластически деформируется с явно выраженным формоиз- менением его частиц (от кубической формы до тонкопластинчатой, со сквозной пористостью). Микрофотографии поверхности исходных компонентов и смеси W—Cu2O представлены на рис. 1, а рентгенограмма высушенной смеси — на рис. 2. Как видно на рис. 1, процесс смешивания порошков сопровождался дополнительным расклепом частиц вольфрама с одновременным их свариванием с оксидом меди, однако полного перекрытия оксидом плоской поверхности частиц вольфрама все же не достигалось, очевидно, вследствие хрупкости Cu2О (рис. 1, в, г). В то же время наблюдается уширение рефлексов как от W, так и от Cu2О (рис. 2, а), а б в г Рис. 1. SEM изображения поверхности исходных порошков W (а), Cu2О (б) и их смеси (в, г). 0 20 40 60 80 100 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 C u 2O C u 2O C u 2O C u 2O 220W 211W 200W Si SiSiSi Si SiИ нт ен си вн ос ть , о тн . е д. 2θ, град Si 110W C u 2O а 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 Cu CuCuCu CuCu Cu xx x x x W W W WW W W SiSiSiSiSi Si SiSi SiSiИ нт ен си вн ос ть , о тн . е д. 2θ, град Si W x Cu x W18O49 б Рис. 2. Рентгенограммы высушенной смеси W— Cu2O (а) и восстановленной при Т = 650 оС (б). 78 что подтверждает накопление деформации в частицах обоих компонентов (кремний использовали как эталон). При восстановлении смеси W—Cu2O учитывали результаты работы [33], в которой двустадийный режим этой операции проводили в следующих условиях: 1 стадия — при Т = 255 оС, 1 ч, 2 стадия — при Т = 630 оС, 1 ч. Отмечено, что в этих условиях размер частиц порошка существенно не вырос в сравнении с оксидом, а содержание кислорода составляло менее 0,4% (мас.). Следует отметить, что в цитируемой работе использовали предварительно окисленную смесь W и Cu, которую диспергировали в аттриторной мельнице, а затем восстанавливали в водороде с точкой росы –30 оС. Данные рентгенофазового анализа смеси W—Cu2O, восстановленной при 650 оС (рис. 2, б), свидетельствуют о неполном ее восстановлении в выбранных условиях, поскольку на рентгенограмме присутствуют рефлексы от оксида вольфрама. Это подтверждает и характер распреде- ления меди в виде изолированных глобул на поверхности частиц воль- фрама пластинчатой формы (рис. 3, а). Причиной недовосстановления, очевидно, была повышенная влажность водорода. Частично это способ- ствовало также образованию агломератов из компонентов смеси (рис. 3, а, справа), чего не наблюдалось до восстановления, хотя в соответствии с работой [34] формирование агломератов из дисперсно распределенных W и Cu является характерным при восстановлении вольфрамата меди. Химический состав и величины удельной поверхности порошков на разных этапах изготовления шихты W—Cu приведены в табл. 1. Повышение содержания углерода и кислорода в порошке вольфрама после 48 ч размола произошло, видимо, вследствие неполного удаления ацетона при сушке порошка. Из приведенных данных закономерно следует, что высокодисперсный порошок Cu2O значительно повысил удельную поверхность смеси порошков. При этом содержание углерода и кислорода в ней возросло — частично за счет остатков ацетона, однако количество а б 79 Рис. 3. Микроструктура смеси W—Cu, восстановленной при Т = 650 (а) и 850 оС (б): слева — глобулярные частицы меди на поверхности вольфрама; справа — агломераты W—Cu. 80 Т а б л и ц а 1. Химический состав и удельная поверхность S порошков в процессе изготовления шихты W—Cu Содержание, % (мас.) Порошок С О2 S, м2/г W исходный 0,02 0,2 0,05 W после 48 ч размола 0,12 0,5 0,95 W—Cu2O (смесь высушена) 0,31 1,2 3,59 W—Cu (смесь восстановлена при 650 оС) 0,08 0,23 0,69 кислорода определяется преимущественно его содержанием в составе оксида. Восстановление смеси в водороде привело к повышению ее чистоты по кислороду и углероду, а удельная поверхность смеси суще- ственно уменьшилась в результате агломерирования (рис. 3, а, справа). В связи с неудовлетворительными результатами проведено дополни- тельное восстановление смеси в водороде при температуре 850 оС — как принято в производстве дисперсного порошка вольфрама, путем восстанов- ления его триоксида WO3 [34]. На рис. 3, б видно, что повышение темпера- туры способствовало улучшению смачиваемости вольфрама медью, однако полного растекания меди все же не произошло. Очевидно, поверхность W осталась частично недовосстановленной, хотя на рентгенограмме от этой партии смеси рефлексы оксида вольфрама не зафиксированы. Образцы из окончательно восстановленной смеси изготавливали методом УС в вакууме в интервале температур 850—1050 оС. Их плотность повышалась с ростом температуры процесса и при Т = 1050 оС составляла 13,47 г/см3 (95,3% от теоретической). Микроструктура изготовленных образцов была без заметных пор, но в ней наблюдались участки локальной неоднородности (рис. 4), что иногда имеет место при жидкофазном спекании дисперсных композитов W—Cu [24]. В данном случае это может быть вызвано облегченным спеканием между собой активированных размолом частиц вольфрама пластинчатой формы (рис. 4, а, б), вследствие чего медь, имеющая повышенную текучесть, выдавливается в соседние области, где образуются зоны с повышенной ее концентрацией (рис. 4, в). Распределение фаз в основной структуре образца характеризуется большей равномерностью, хотя и с довольно мелкими областями неоднородности (рис. 4, г), но при этом тонкие прослойки меди между вольфрамовыми частицами все же остаются (рис. 4, б). Неравномерность распределения компонентов в структуре образцов, изготовленных в выбранных условиях, вызвала необходимость корректи- рования условий восстановления смеси. Как уже сообщалось, анализ результатов исследований приводит к выводу, что однородную и плотную структуру композита W—Cu без активаторов спекания можно получить лишь при использовании высокодисперсного порошка W. В этом случае облегчается формирование медной сетки, блокирующей контактирование частиц вольфрама между собой [16]. К тому же в этих работах уплотнение образцов выполняли жидкофазным спеканием, которое обычно предусма- тривает использование высоких температур. В то время как в настоящей работе исследовали условия получения плотных образцов из композиции а б в г Рис. 4. Неоднородность структуры образца, изготовленного методом УС в вакууме при Т = 1050 оС: а, б — фаза, обогащенная вольфрамом; в — фаза, обогащенная медью; г — равномерное распределение фазовых составляющих. W—Cu твердофазным спеканием. Известно, что для восстановления вольфрама из его оксидов в некоторых случаях применяют углерод, но преимущественно в технологии получения карбида вольфрама. Поскольку импульс механического нагружения в процессе ударного спекания является кратковременным (≈5 мс), формирования карбидов можно избежать. При этом дисперсный углерод должен способствовать дополнительному восстановлению составляющих композита и в то же время предотвращать образование связей W—W и Cu—Cu. Для проверки возможности использования углерода при спекании композита W—Cu проведена серия экспериментов с применением раствора сахарозы. Как показали исследования, предварительный прогрев образцов в интервале температур 890—950 оС в течение 1 ч в вакууме с последующим УС не устраняет формирования неоднородности структуры композита, однако с повышением количества восстановителя она становится менее существенной (рис. 5). В то же время без предварительного прогрева неод- а б Рис. 5. Микроструктура образцов, уплотненных с предварительным про- гревом и введением 2,84 (а) и 3,26% (мас.) (б) сахарозы. х125. 81 нородность структуры образцов не обнаруживали даже при меньшем количестве восстановителя (рис. 6). Анализ микрофотографий, приведенных на рис. 6, свидетельствует, что сахароза в широком диапазоне ее содержания в композиции способствует равномерному распределению фазовых составляющих. Однако полное разложение этого органического соединения, очевидно, происходит тогда, когда внешние слои образцов уже достаточно уплотнены, вследствие чего в структуре материала формируется пористость (рис. 6, а, в, д). Действи- тельно, технологический опыт изготовления деталей из композиций, в состав которых входят компоненты с разной пластичностью, показывает, что при их прессовании более пластичная составляющая частично выдавливается на поверхность детали, где она довольно быстро уплотняется как под механическим нагружением, так и во время спекания. Это усложняет удаление газов и летучих примесей из объема прессовок. Замена сахарозы углеродом в виде дисперсной сажи не обеспечивает ее равномерного распределения в структуре материала, особенно при увеличении содержания этого компонента, склонного к агломерации (рис. 7). а б в г д е Рис. 6. Микроструктура образцов, уплотненных без предварительного прогрева. Количество сахарозы, % (мас.): а, б — 2,2; в, г — 5,2; д, е — 8,2; а, в — х125; б, г, е — х3000; д — х50. 82 Вследствие этого отдельные достаточно крупные включения неметаллической фазы снижают прочность и пластичность композита, хотя его твердость остается при этом еще довольно высокой (табл. 2). Из табл. 2 следует, что при низком содержании сахарозы (2,2%) свойства спеченных образцов (γ, ρ, σ) зависят от среды УС. Применение аргона лишь на этапе восстановления оказалось более эффективным, чем в случае постоянной среды в течение всего процесса. В целом, независимо от условий УС плотность образцов оказывается достаточно высокой (94— 98%), а электропроводность — ниже теоретической. Причиной, очевидно, является тонкопластинчатая форма активированных размолом частиц вольфрама в композите. Под действием кратковременной импульсной нагрузки такие частицы спекаются довольно легко, формируя структуру, близкую к каркасной (рис. 6, б, г, е), что значительно сильнее влияет на снижение электропроводности, чем остаточная пористость образцов. В то же время механические свойства экспериментальных образцов существенно превышают соответствующие значения, указанные не только в технической документации [13], но и в литературных источниках, в том числе посвященных исследованию микро- и нанодисперсных композитов W—Cu [5, 9]. Так, техническими условиями на контакт-детали КМК-Б25 из композиции W—30% (мас.) Cu (≈50% (об.) Cu), выпускаемые ЗАО "Электроконтакт" (РФ) [13], предусмотрен следующий уровень свойств: плотность — (13,8—14,8)·103 кг/м3; твердость НВ — 1800—2200 МПа; ρ — ≤8 мкОм·м. Изучение поверхности излома образцов при испытаниях на изгиб подтвердило, что при общем хрупком разрушении материал проявляет довольно заметную пластичность (рис. 6, а—в), в то время как твердый восстановитель (сажа), ослабляя связь между металлическими фазами, препятствует передаче нагрузки на основу (рис. 6, г). Рентгенофазовый анализ образцов, спеченных с использованием раствора сахарозы, показал, что в процессе их уплотнения методом УС в структуре композита карбиды вольфрама не образуются (рис. 8) — очевидно, за счет кратковременности импульса нагружения. Таким образом, оптимальными условиями изготовления опытных образцов методом УС в вакууме являются проведение процесса без предварительного прогрева при Т = 900—1000 оС с использованием в качестве восстановителя раствора сахарозы (5—8%). Отклонение условий а б Рис. 7. Микроструктура образцов из композита W—Cu, изготовленных с до- бавлением 1,67 (а) и 2,5% (мас.) (б) дисперсной сажи: а — х50; б — х125. 83 84 Т а б л и ц а 2. Свойства экспериментальных образцов из композиции W—Cu Т (оС), среда Номер образца Количество восстанови- теля, % (мас.) нагре- ва прессо- вания γ, г/см3 ρ, мкОм· см σизг, МПа HV, МПа 1 Без восстано- вителя — 1050, вакуум 13,47 5,63 845 3112 2 2,8% сахарозы 890 900, вакуум 14,18 6,42 1579 3683 3 2,8% сахарозы 950 950 вакуум 13,95 6,13 1427 3293 4 2,2% сахарозы — 900, вакуум 12,46 7,97 508 3342 5 2,2% сахарозы — 900, аргон 12,68 7,16 707 3434 6 2,2% сахарозы — 900, вакуум- аргон- вакуум 13,57 6,85 1361 3810 7 5,2% сахарозы — 1000, вакуум- аргон- вакуум 13,69 5,58 1171 3177 8 8,2% сахарозы — 900, вакуум 13,89 6,61 1170 3176 9 11,2% сахарозы — 900, вакуум 13,57 5,56 1034 2946 10 1,67% сажи — 950, вакуум 13,41 5,31 1145 3081 11 2,5% сажи 900, вакуум 13,36 5,99 981 2806 УСП от оптимальных либо не устраняет формирования неоднородности структуры материала, либо ведет к снижению характеристик образцов (плотности, пластичности, электропроводности). Влияние электродугового разряда на рабочие поверхности электродов, изготовленных из опытных образцов, изучали при действии на них 30 импульсов тока силой 30 А. Электроды имели форму параллелепипедов размером 4х4х12 мм. Направление их рабочих поверхностей совпадало с поперечным сечением заготовки, где в структуре материала плоские частицы вольфрама располагались торцевой стороной (рис. 6, б, г, е). Дугу зажигали в воздухе между неохлаждаемыми электродами, расстояние между ними составляло 2 мм. Типичные участки рабочих поверхностей электродов после испытаний представлены на рис. 10. Микрофотографии рабочих поверхностей электродов свидетельству- ют, что под действием импульсов тока происходит испарение меди как с анода, так и с катода. При этом эрозионное разрушение электродов на разных участках их поверхностей имеет схожий характер. Значительную а б в г Рис. 8. Поверхности излома образцов W—Cu № 8 (а), 7 (б), 11 (в, г) (нумерацию см. в табл. 3). Рис. 9. Рентгенограмма образца, полученного методом УС с использованием 8,2% (мас.) сахарозы. площадь (преимущественно на периферии каждого из электродов) занимает слой спеченного пористого вольфра- ма в виде корки (рис. 10, а), что обычно наблюдается при работе вольфрамо-медных кон- тактов и электродов. В то же 10 30 50 70 90 110 0 10000 20000 30000 40000 CuCuCu Cu W W W W W Si SiSiSiSi SiИ нт ен си вн ос ть , о тн .е д. И нт ен си вн ос ть , о тн . е д. 2θ, град Si 85 время на участках относительно слабого теплового воздействия разряда остаются следы оголенных пластинчастых частиц вольфрама, не подвергшихся плавлению (рис. 10, в). Обеднение медью различных областей ведет к локализации разряда на ребрах частиц вольфрама, что вызывает их плавление и последующую кристаллизацию. Форма кристаллов вольфрама зависит от условий нагрева и охлаждения. Так, перекристаллизация вольфрама вблизи слабого очага воздействия разряда (рис. 10, г) осуществлялась явно не прямым нагревом плазмой дуги. Скорее всего, это происходило за счет тепла, отводимого от соседнего очага поражения, в результате чего сформировались кристаллы полиго- нальной и частично кубической формы (рис. 10, е). Концентрация тепло- вой мощности дуги на отдельных участках поверхности вызывает повы- шение подвижности расплава, который при охлаждении кристаллизуется в виде полых трубок в основном квадратного сечения (рис. 10, д, ж, з). Наблюдаемые стадии кристаллизации расплава дают основание предпола- а б в г д е ж з и к Рис. 10. Виды электроэрозионного разрушения электродов: слева — катод; справа — анод; а—к — см. в тексте. 86 87 гать, в указанных условиях формируются монокристаллы вольфрама, хотя, по-видимому, этот процесс сдерживается нестационарными условиями дугового разряда. В то же время медь обнаруживается на поверхности электродов либо в виде расплава, выдавленного из очага поражения (рис. 10, и), либо в виде капель, образовавшихся при конденсации из паровой фазы (рис. 10, к). Выводы Исследовано влияние условий спекания на структуру и свойства композиционного материала W—50% (об.) Cu, изготовленного с исполь- зованием активированного размолом порошка вольфрама и дисперсного порошка Cu2O. Установлено, что метод УС позволяет получить плотные образцы из исследуемой композиции твердофазным спеканием в вакууме при Т ≤ 1000 оС — без карбидизации вольфрама. Показано, что применение раствора сахарозы в процессе УС обеспечивает дополнительное восстановление композита и препятствует образованию в нем связей W—W и Cu—Cu. Это способствует равно- мерному распределению компонентов в структуре материала. Обнаружено формирование различных типов кристаллов вольфрама при его перекристаллизации из расплава, образующегося под действием дугового разряда. Влияние условий кристаллизации на структуру формирующихся кристаллов W требует проведения дополнительных исследований. Полученные результаты подтверждают перспективность применения активированного размолом порошка W как при изготовлении деталей из композиции W—Cu с повышенными механическими свойствами (в част- ности, сварочных электродов), так и для снижения энергозатрат в про- цессе уплотнения заготовок, спрессованных из порошка вольфрама. 1. Диаграммы состояния двойных металлических систем / Под общ. ред. Н. П. Ля- кишева. — М. : Машиностроение, 1997. — Т. 2. — 1024 с. 2. Найдич Ю. В. Изучение роли капиллярных явлений в процессе уплотнения при спекании в присутствии жидкой фазы / Ю. В. Найдич, И. А. Лавриненко, В. Н. Еременко // Порошковая металлургия. — 1964. — № 1. — С. 5—11. 3. Gomes U. U. On sintering of W—Cu composite alloys / U. U. Gomes, F. A. da Costa, A. G. P. da Silva // Refractory Metalls & Hard Mater. — 2001. — 1. — P. 177—189. 4. Найдич Ю. В. Исследование процесса уплотнения при жидкофазном спекании под давлением в системе вольфрам—медь / Ю. В. Найдич, И. А. Лавриненко, В. А. Евдокимов // Порошковая металлургия. — 1974. — № 1. — С. 34—39. 5. Daren Li. Research on the densification of W—40% (wt.) Cu by liquid sintering and hot-hydrostatic extrusion / [Li Daren, Liu Zuyan, Yu Yang, Wang Erde] // Refractory Metals & Hard Mater. — 2008. — 26. — P. 286—289. 6. Bhalla A. K. A сomparative assessment of explosive and other methods of compaction in the production of tungsten-copper composites / A. K. Bhalla, J. D. Williams // Powder Metallurgy. — 1976. — No. 1. — P. 31—37. 7. Shao F. Microstructure evolution of W—Cu alloy wire after hot-swaging / [F. Shao, W. Chen1, H. Zhang1, B. Ding] // Mater. Sci. and Appl. — 2012. — 3. — P. 157—162. 8. Stevens A. J. Powder-metallurgy solutions to electrical-contact problems // Powder Metallurgy. — 1974. — No. 17. — P. 331—346. 9. Материалы из вольфрам-меди (WCu) для дугогасящих контактов / www.plansee.com. 10. Еременко В. Н. Растворимость вольфрама в медно-никелевых расплавах / В. Н. Еременко, Р. В. Минакова, М. М. Чураков // Порошковая металлургия. — 1977. — № 4. — С. 55—58. http://www.plansee.com/ 88 11. Hamidi A. G. Tungsten-copper composite production by activated sintering and infiltration / A. G. Hamidi, H. Arabi, S. Rastegari // Refractory Metals and Hard Mater. — 2011. — 29. — P. 538—541. 12. Пат. 2243855 РФ. Способ изготовления изделий на основе псевдосплава вольфрам—медь / [А. П. Мухортов, А. М. Лебедев, А. С. Шевченко и др.] — Опубл. 2005.01.10. 13. ТУ 303-89 ИЛГТ. 711711.004 ТУ. Контакт-детали металлокерамические на основе вольфрама. — Взамен ГОСТ 13333-83; Введ. 01.07.89. — 41 с. 14. Паничкина В. В. Жидкофазное спекание высокодисперсных смесей вольфрам— медь / В. В. Паничкина, М. М. Сиротюк, В. В. Скороход // Порошковая металлургия. — 1982. — № 6. — С. 27—31. 15. Amirjan M. Evaluation of microstruc-ture and contiguity of W/Cu composites prepared by coated tungsten powders / M. Amirjan, K. Zangeneh-Madar, N. Parvin // Refractory Metals and Hard Mater. — 2009. — 27. — Р. 729—733. 16. Costa F. A. da. The influence of the dispersion technique on the characteristics of the W—Cu powders and on the sintering behavior / F. A. da Costa, A. G. P. da Silva, U. U. Gomes // Powder Technology. — 2003. — 134. — P. 123—132. 17. Maneshian M. H. Structural changes during synthesizing of nanostructured W— 20% (wt) Cu composite powder by mechanical alloying / M. H. Maneshian, A. Simchi, Z. R. Hesabi // Mater. Sci. and Engineering. — 2007. — 445-446. — P. 86—93. 18. Nicolicescu C. Researches regarding the elaboration of W—Cu nanocomposites powders / [C. Nicolicescu, C. I. Ciupitu, I. Stefan et al.] // Optoelectronics and Advan- ced Mater. — Rapid Communications. — 2010. — 4, Nо. 9. — P. 1408—1414. 19. Alam S. N. Synthesis and characterization of W—Cu nanocomposites developed by mechanical alloying // Mater. Sci. and Engineering. A. — 2006. — 433, is. 1—2. — P. 161—168. 20. Raghu Т. Synthesis of nanocrystalline copper–tungsten alloys by mechanical alloying / [T. Raghu, R. Sundaresan, P. Ramakrishnan, T. R. Rama Mohan] // Ibid. — 2001. — 304–306. — P. 438—441. 21. Аввакумов Е. Г. Механические методы активации химических процессов. — Новосибирск : Наука, 1986. — 305 с. 22. Кузьмина В. П. Механохимическая активация полупродуктов для сухих строительных смесей // Современные технологии строительной химии. — К., 2005. — С. 84—88. 23. Пауль А. В. Исследование процессов деформации порошка карбида вольфрама, подвергнутого измельчению в шаровой мельнице / [А. В. Пауль, С. Ф. Гнюсов, Ю. Ф. Иванов и др.] // Изв. вузов. Физика. — 1992. — № 5. — С. 62—67. 24. Павлов И. М. Хладноломкость и структура вольфрама / И. М. Павлов, Е. В. Уша- ков, Е. К. Дробышева. — М. : Наука, 1984. — 126 с. 25. Волкогон В. М. Влияние сдвиговых напряжений на полиморфные превращения в вюртцитном нитриде бора // Сверхтвердые материалы. — 1993. — № 3. — С. 19—22. 26. Волкогон В. М. Особенности прокатки порошков вюртцитного нитрида бора // Там же. — 1993. — № 2. — С. 38—41. 27. Олейник Г. С. Структурные превращения в частицах вюртцитного нитрида бора при прокатке / Г. С. Олейник, В. М. Волкогон, С. К. Аврамчук // Порошковая металлургия. — 2002. — № 5. — С. 26—35. 28. Волкогон В. М. Влияние предварительной обработки порошка прокаткой на фазовое превращение вюртцит—сфалерит при спекании гексанита-Р / В. М. Вол- когон, Г. С. Олейник // Там же. — 2003. — № 1. — С. 22—31. 29. Катрус О. А. Влияние прокатки на структуру и свойства порошка нитрида алюминия и горячепрессованного материала на его основе / [О. А. Катрус, Ю. Г. Ткаченко, Г. С. Олейник и др.] // Там же. — 1992. — № 3. — С. 41—44. 30. Осипова И. И. Влияние обработки в валках на структуру и свойства порошка нитрида кремния и шихты на его основе / [И. И. Осипова, О. А. Катрус, О. Н. Григорьев и др.] // Там же. — 1995. — № 3/4. — С. 14—19. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921509300014441 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921509300014441 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921509300014441 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921509300014441 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921509300014441 http://www.sciencedirect.com/science/journal/09215093/304/supp/C http://www.sciencedirect.com/science/journal/09215093/304/supp/C 89 31. Григорьев О. Н. Влияние шарового размола на структурные характеристики порошка вольфрама / [О. Н. Григорьев, Л. А. Крячко, Н. Д. Бега и др.] // Электронная микроскопия и прочность материалов. — 2013. — Вып. 19. — С. 114—122. 32. Лаптев А. В. Возможности метода высокоэнергетического горячего прессования в вакууме для создания материалов с ультратонкой структурой и высокой прочностью // Порошковая металлургия. — 2001. — № 3/4. — С. 8—18. 33. Li Yu. Properties of W—Cu composite powder produced by a thermo-mechanical method / Yu. Li, X. Qu, Z. Zheng // Refractory Metals and Hard Mater. — 2003. — 21. — P. 259—264. 34. Электронный учебно-методический комплекс "Процессы порошковой металлургии": http://files.lib.sfukras.ru/ebibl/umkd/63/u_lectures.pdf. Структура і властивості композита W—50% (об.) Cu, одержаного із застосуванням порошку вольфраму, активованого розмелом у шаровому млині Л. О. Крячко, А. В. Лаптєв, О. І. Толочин, М. Д. Бега, Я. І. Євич, М. Є. Головкова, А. В. Лебідь Вивчено умови ущільнення зразків із суміші W—50% (об.) Cu, виготовленої із застосуванням порошку вольфраму, активованого розмелом в шаровому млині. Методом ударного спікання в діапазоні Т = 900—1000 оС з використанням в якості відновлювача розчину сахарози із вказаної шихти одержано зразки з рівномірною структурою, відносною щільністю 97—98,3% і підвищеними механічними характеристиками (σзг. = 1170 МПа, HV = 3176 МПа). Виявлено різні форми кристалізації W з розплаву, що утворюються під дією дугового розряду на поверхні електродів з досліджуваної композиції. Ключові слова: композиційний матеріал, активований розмелом порошок вольфраму, ударне спікання, мікроструктура композита W—Cu, робоча поверхня електродів. The structure and properties of the composite W—50% (vol.) Cu, prepared using a tungsten powder, activated by grinding in a ball mill L. A. Kryachko, A. V. Laptev, A. I. Tolochin, N. D. Bega, Ya. I. Yevich, M. Ye. Golovkova, A. V. Lebed The conditions for sealing samples of the mixture W—50% (vol.) Cu made using tungsten powder activated by grinding in a ball mil l were studied. Impact sintering in a range of T = 900—1000 0C, using sucrose as a reductant from said charge received the samples with a uniform structure, 97—98,3% relative density and improved mechanical characteristics (Rbm = 1170 MPa, HV = 3,176 MPa). Found various forms W crystallization from a melt formed by the action of the arc on the electrode surface of the test composition. Keywords: composite material, activated by grinding tungsten powder, impact hot pressing, W—Cu composite microstructure, working electrode surface. http://files.lib.sfukras.ru/ebibl/umkd/63/u_lec-tures.pdf Материалы, методика изготовления и методы исследования

Структура и свойства композита W—50%(об. )Cu, полученного с применением порошка вольфрама, активированного размолом в шаровой мельнице

Institution

Ähnliche Einträge