Инжекционное формование изделий из нанодисперсных порошков тугоплавких соединений

Исследованы процессы получения керамических материалов из нанодисперсных порошков тугоплавких соединений и получены исходные данные для разработки технологии изготовления из них изделий методом инжекционного формования. Виконано дослідження процесів одержання керамічних матеріялів з нанодисперсних п...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Date:	2011
Main Author:	Ивженко, В.В.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2011
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/74627
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Инжекционное формование изделий из нанодисперсных порошков тугоплавких соединений / В.В. Ивженко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 3. — С. 651-660. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860249032467677184
author	Ивженко, В.В.
author_facet	Ивженко, В.В.
citation_txt	Инжекционное формование изделий из нанодисперсных порошков тугоплавких соединений / В.В. Ивженко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 3. — С. 651-660. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
description	Исследованы процессы получения керамических материалов из нанодисперсных порошков тугоплавких соединений и получены исходные данные для разработки технологии изготовления из них изделий методом инжекционного формования. Виконано дослідження процесів одержання керамічних матеріялів з нанодисперсних порошків тяжкотопких сполук та одержано вихідні дані для розроблення технології виготовлення з них виробів методою інжекційного формування. Processes of ceramic-materials fabrication from nanodispersed powders of refractory compounds are investigated. Initial data are collected to develop the injection moulding production process with use of such materials.
first_indexed	2025-12-07T18:40:39Z
format	Article
fulltext	651 PACS numbers:61.43.Gt, 62.23.Pq,81.05.Je,81.05.Rm,81.07.Wx,81.20.Ev, 81.20.Hy Инжекционное формование изделий из нанодисперсных порошков тугоплавких соединений В. В. Ивженко Институт сверхтвёрдых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, ул. Автозаводская, 2, 04074 Киев, Украина Исследованы процессы получения керамических материалов из нанодисперсных порошков тугоплавких соединений и получены исходные данные для разработки технологии изготовления из них изделий методом инжекционного формования. Виконано дослідження процесів одержання керамічних матеріялів з нанодисперсних порошків тяжкотопких сполук та одержано ви- хідні дані для розроблення технології виготовлення з них виробів методою інжекційного формування. Processes of ceramic-materials fabrication from nanodispersed pow- ders of refractory compounds are investigated. Initial data are collect- ed to develop the injection moulding production process with use of such materials. Ключевые слова: нанодисперсные порошки, нитрид кремния, нит- рид алюминия, нитрид титана, инжекционное формование. (Получено 18 ноября 2010 г.) Технология инжекционного формования (ИФ) является наиболее перспективной для получения изделий сложных форм из керами- ческих и металлокерамических материалов. Технология ИФ вклю- чает в себя: подготовку порошков с необходимыми характеристи- ками; получение гомогенной смеси порошков со связующими веще- ствами; выдавливание через инжектор смеси в пресс-форму; удале- ние связующего из заготовок; уплотнение заготовок при темпера- турах спекания материалов. В работе для изучения процессов инжекционного формования Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2011, т. 9, № 3, сс. 651—660 © 2011 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 652 В. В. ИВЖЕНКО (ИФ) керамических изделий из нанодисперсных порошков были определены следующие объекты исследований: нанопорошки TiN, Si3N4; композиции нанопорошков состава (% по массе) 40% TiN— 55% АlN—5% Mo, 95% Si3N4—5% АlN, 90% Si3N4—10% TiN; микро- нанодисперсные композиции порошков составов 80% (Si3N4—MgO) – 20% наноTiN, 60% (Si3N4—MgO) – 40% наноTiN. Для получения образцов и изделий использовалась установка для инжекционного литья заготовок из нанодисперсных и микро- нанодисперсных композиций порошков [1]. Исследованы морфологические особенности исходных нано- и микродисперсных порошков. С целью улучшения технологических параметров процесса смешивания порошков с термопластичным связующим исследовано влияние низкотемпературной термиче- ской обработки на характеристики порошков после гранулирова- ния. Установлено, что оптимальными температурами обработки являются 800—1000°С при длительности процесса 30 мин. Насып- ная масса порошка TiN увеличивается в 2,5—3,0 раза, удельная по- верхность уменьшается в 3,0—3,2 раза (рис. 1). Выполненные эксперименты по смешиванию исследуемых нано- дисперсных порошков с термопластичным связующим на основе па- рафина и воска показали, что в интервале возможных температур 62— 82°С получение литейных систем «нанодисперсный порошок (TiN, Si3N4, AlN)—парафин» обычными способами (непрерывным, фракци- онным) введения порошка в связку невозможно. Наблюдается ком- кование массы, ее концентрация на поверхности стакана смесителя. В связи с этим нами была разработана технология смешивания по- рошков со связующим, основанная на том, что в расплавленное свя- зующее добавляется порошок под механическим воздействием. Она Рис. 1. Зависимость насыпной массы (mн) и удельной поверхности (γ) нано- дисперсного порошка TiN от температуры отжига: 1 – насыпная масса, 2 – удельная поверхность. ИНЖЕКЦИОННОЕ ФОРМОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ НАНОПОРОШКОВ 653 включает в себя два этапа. Первый этап – втирание порошка в свя- зующее, второй этап – достижение необходимой литейной способ- ности системы фракционным способом введения связующего в тер- мопластичную массу, перемешиваемую каландром. Исследование процесса смешивания на втором этапе показало, что значение мини- мальной температуры, при котором обеспечивается процесс смеши- вания, составляет 78°С. Смешивание термопластичных масс на осно- ве микродисперсных порошков AlN, Si3N4, SiC, WC выполняли при 65°С [2, 3]. Таким образом, при подготовке масс на основе нанодис- персных порошков и парафина минимальная температура процесса увеличивается на 13°С. В таблице 1 представлены характеристики термопластичных масс на основе нанодисперсных порошка TiN, по- рошковых композиций TiN—AlN—Mo, Si3N4—AlN, Si3N4—TiN. Гра- ничные концентрации связующего для получения выходных масс с максимальной упаковкой вещества повышаются относительно масс на основе микродисперсных порошков AlN, Si3N4, SiC, WC на 33% (TiN), 51% (TiN—AlN—Mo), 84% (Si3N4—TiN), 87% (Si3N4—AlN). Исследование процесса смешивания на втором этапе показало также, что на длительность процесса влияет удельный вес термопла- стичной массы. Установлено, что при увеличении удельного веса время подготовки массы уменьшается. Анализ результатов показы- вает, что при увеличении удельного веса массы на 4, 30, 88% время ее подготовки уменьшается в 1,2, 2,2, 3,5 раза соответственно, и при этом коэффициент упаковки массы увеличивается. На рисунке 2 представлена зависимость длительности смешивания и коэффици- ента упаковки термопластичных масс на основе нанодисперсных по- рошков от их удельного веса. При увеличении удельного веса с 1,36 до 2,56 г/см 3 коэффициент упаковки увеличивается с 0,20 до 0,37. Рис. 2. Зависимость длительности смешивания (t) термопластичных масс на основе нанодисперсных порошков (1) и коэффициента упаковки (Kуп) термопластичных масс (2) от их удельного веса (γ). Т А Б Л И Ц А 1 . Х а р а к т е р и с т и к и т е р м о п л а с т и ч н ы х м а с с н а о с н о в е н а н о д и с п е р с н ы х п о р о ш к о в и п а р а ф и н а . № п / п С о с т а в н а н о д и с п е р с н о г о п о р о ш к а , м а с с .% 1 -й э т а п 2 -й э т а п Весовое содержание связующего, % Объемное содержание связующего, % Плотность массы, г/см 3 Весовое содержание связующего, % Объемное содержание связующего, % Время подготовки массы, мин Плотность массы, г/см 3 Коэффициент упаковки массы Вязкость массы при 78°С, н·с/м 2 1 1 0 0 % T iN 2 0 ,0 6 0 ,1 3 2 ,7 1 2 2 ,3 6 3 ,4 1 8 0 2 ,5 6 0 ,3 7 1 7 2 4 0 % T iN , 5 5 % A lN , 5 % M o 3 4 ,0 6 9 ,7 1 ,8 5 3 6 ,5 7 1 ,9 2 9 0 1 ,7 7 0 ,2 8 1 6 3 9 5 % S i 3 N 4 , 5 % A lN 5 0 ,6 7 8 ,5 1 ,4 0 5 2 ,9 8 0 ,0 6 3 0 1 ,3 6 0 ,2 0 1 2 4 9 0 % S i 3 N 4 , 1 0 % T iN 4 8 ,0 7 7 ,4 1 ,4 5 5 0 ,1 7 8 ,9 5 1 0 1 ,4 2 0 ,2 1 1 3 654 В. В. ИВЖЕНКО ИНЖЕКЦИОННОЕ ФОРМОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ НАНОПОРОШКОВ 655 На основании данных и ранее выполненных исследований [2, 4] определено влияние характеристик термопластичных масс на процесс инжекционного литья заготовок образцов и изделий (табл. 2). Уста- новлено, что при давлениях инжектирования 0,5—9,5 МПа эффектив- ный интервал температуры процесса уменьшается: с 68—82°С для масс на основе микропорошков Si3N4, SiC, AlN, с 62—76°С для масс на осно- ве металлокерамических порошков систем WC—Co, WC—Ni до 76— 82°С для массы на основе нанопорошка TiN и до 80—82°С для масс на основе композиций нанопорошков Si3N4, Si3N4—AlN, Si3N4—TiN. Эф- фективный интервал температуры инжектирования масс на основе нанопорошков не зависит от их вязкости, а зависит от удельного веса массы, с увеличением которого улучшается процесс инжектирования. Изучен процесс спекания материалов и модельных образцов из нанодисперсных и микронанодисперсных композиций порошков. Для этого использовались также образцы материалов, полученные методом холодного прессования. Прессование выполняли при давле- нии 20 МПа (нанопорошки) и 200 МПа (микронанодисперсные ком- позиции порошков). Установлено, что при давлении более 20 МПа в образцах из нанопорошков появляются расслойные трещины из-за упругого последействия. Оптимальным режимом спекания образцов из нанодисперсных порошка TiN и композиции порошков состава 40% TiN—55% AlN— 5% Mo является: температура 1750°С, изотермическая выдержка в течение 30 минут (рис. 3). Рис. 3. Зависимость изменения размеров (Δl/l) образцов из нанодисперс- ных порошков от температуры спекания (Т) при изотермической выдерж- ке 30 мин.: (1)  – TiN (холодное прессование); (2)  – 40 масс.% TiN—55 масс.% AlN—5 масс.% Mo (холодное прессование); (3) ■ –TiN (ИФ); (4)  – 40 масс.% TiN—55 масс.% AlN—5масс.% Mo (ИФ). Т А Б Л И Ц А 2 . В л и я н и е р е ж и м о в и н ж е к ц и о н н о г о л и т ь я и х а р а к т е р и с т и к т е р м о п л а с т и ч н ы х м а с с н а х а р а к т е р д е - ф е к т о в в м о д е л ь н ы х о б р а з ц а х и з т е р м о п л а с т и ч н ы х м а т е р и а л о в (— ″— – н е т з а п о л н е н и я , 5 – н е д о л и в , 0 – н е с л и - т и н ы , ″ – н е т д е ф е к т о в , Θ – р а с с л о е н и е м а с с ы ). № п / п Х а р а к т е р и с т и к а т е р м о п л а с т и ч н о й м а с с ы Д а в л е н и е ф о р м о в а н и я , М П а Т е м п е р а т у р а ф о р м о в а н и я , °С С о с т а в ш и х т ы , м а с с .% С о д е р ж а н и е с в я з у ю щ е г о , о б .% В я з к о с т ь , П а ⋅с Х а р а к т е р д е ф е к т о в 6 0 6 2 6 8 7 6 8 2 1 2 9 5 % А lN , 5 % Y 2 O 3 — ″— 3 4 ,4 — ″— 2 0 — ″— 0 ,5 9 ,5 – 5 ″ ″ ″ ″ ″ ″ ″ ″ 3 4 9 3 % S i 3 N 4 , 7 % M g O — ″— 4 2 ,8 — ″— 2 0 — ″— 0 ,5 9 ,5 – 5 ″ ″ ″ ″ ″ ″ ″ ″ 5 6 1 0 0 % T iN ( н а н о ) — ″— 6 3 ,4 — ″— 1 7 — ″— 0 ,5 9 ,5 – – – – 5 5 ″ ″ ″ ″ 7 8 4 0 % T iN , 5 5 % А lN , 5 % M o ( н а н о ) — ″— 7 1 ,9 — ″— 1 6 — ″— 0 ,5 9 ,5 – – – – 5 5 ″ ″ ″ ″ 9 1 0 9 5 % S i 3 N 4 , 5 % А lN ( н а н о ) — ″— 8 0 ,0 — ″— 1 2 — ″— 0 ,5 9 ,5 – – – – – – 0 0 ″ ″ 1 1 1 2 9 0 % S i 3 N 4 , 1 0 % T iN ( н а н о ) — ″— 7 8 ,9 — ″— 1 3 — ″— 0 ,5 9 ,5 – – – – – – 0 0 ″ ″ 1 3 1 4 7 4 ,4 % S i 3 N 4 , 5 ,6 % M g O , 2 0 % н а н о T iN — ″— 4 6 ,7 — ″— 1 9 — ″— 0 ,5 9 ,5 – – – 5 ″ ″ ″ ″ ″ ″ 1 5 1 6 5 5 ,8 % S i 3 N 4 , 4 ,2 % M g O , 4 0 % н а н о T iN — ″— 5 0 ,6 — ″— 1 8 — ″— 0 ,5 9 ,5 – – – 5 ″ ″ ″ ″ ″ ″ 656 В. В. ИВЖЕНКО ИНЖЕКЦИОННОЕ ФОРМОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ НАНОПОРОШКОВ 657 Оптимальным режимом спекания образцов из нанодисперсных порошка нитрида кремния и композиций порошков состава 95% Si3N4—5% AlN, 95% Si3N4—5% TiN, 90% Si3N4—10% TiN является: температура 1700°С, изотермическая выдержка в течение 30 минут (рис. 4). Рис. 4. Зависимость изменения размеров (Δl/l) образцов из нанодисперсных порошков от температуры спекания (Т) при изотермической выдержке 60 мин.: (1)  – 95 масс.% Si3N4—5 масс.% AlN (холодное прессование); (2) ■ – 90 масс.% Si3N4—10 масс.% TiN (холодное прессование); (3) ○ – 95 масс.% Si3N4—5 масс.% AlN (ИФ); 4,  – 90 масс.% Si3N4—10 масс.% TiN (ИФ). Рис. 5. Зависимость изменения размеров (Δl/l) образцов из микронанодис- персных композиций порошков состава 74,4 масс.% Si3N4—5,6 масс.% MgO—20 масс.% наноTiN (1 – холодное прессование, 3 – ИФ), 55,8 масс.% Si3N4—4,2 масс.% MgO—40 масс.% наноTiN (2 – холодное прессование, 4 – ИФ) от температуры спекания (Т) приизотермической выдержке 60 мин. 658 Оптим персных 20% на температ (рис. 5). Устан жекцион прессова TiN), 40— Матер ристость (1—3%). сования риала. Иссле лено, чт 1000 нм централь Изуче образова образцах мальным р х композиц ноTiN; 55 тура 1700° новлено, чт нным лить анием, на —45% (Si3N риалы, пол ь, однако у При этом с последую едована ми о размер з , в образца ьной части ено влияни ание матер х сопел и к Ри В. режимом ций порош 5,8% Si3N4 °С, изотерм то усадка ьем, выше ≅ 40% (Ti N4—MgO—н лученные м увеличение в образцах ющим спе икрострукт зерен в обр ах материа и образца и ие технолог риалов из олец разли ис. 6. Сопло В. ИВЖЕНК спекания шков соста 4—4,2% M мическая в образцов м , чем обра iN), ≅ 60% аноTiN) (р методом И е пористос х, полученн канием, н тура получ разцах нит ала систем и менее 100 гических п нанопоро ичной конф о для распыл КО образцов ава 74,4% gO—40% н выдержка материало азцов, полу % (Si3N4—A рис. 4—6). ИФ, имеют ти являетс ных метод аблюдаетс ченных мат трида титан ы Si3N4—A 0 нм в пери параметров ошков в эк фигурации ления краск из микро Si3N4—5,6 наноTiN я в течение 6 в, получен ученных х lN), ≅ 30% более выс ся незначи ом холодн я расслоен териалов. на составл lN – 100— иферийной в ИФ на ст ксперимен и (рис. 6, та ки. онанодис- % MgO— является: 60 минут нных ин- холодным % (Si3N4— сокую по- ительным ного прес- ние мате- Установ- ляет 200— —200 нм в области. труктуро- нтальных абл. 3). Т А Б Л И Ц А 3 . В л и я н и е р е ж и м о в и н ж е к ц и о н н о г о л и т ь я н а х а р а к т е р д е ф е к т о в в з а г о т о в к а х и з д е л и й (— ″— – н е т з а п о л н е н и я , 5 – н е д о л и в , 0 – н е с л и т и н ы , ″ – н е т д е ф е к т о в ). № п / п И з д е л и е С о с т а в ш и х т ы , м а с с .% С о д е р ж а н и е с в я з у ю щ е г о , о б . % Д а в л е н и е , М П а Х а р а к т е р д е ф е к т о в Т е м п е р а т у р а , °С 6 8 7 6 8 2 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 С о п л о — ″— 1 0 0 % T iN — ″— 6 3 ,4 — ″— 2 ,0 9 ,5 5 5 ″ ″ ″ ″ 3 4 С о п л о — ″— 9 5 % S i 3 N 4 — 5 % A lN — ″— 8 0 ,0 — ″— 2 ,0 9 ,5 – – 0 0 ″ ″ 5 6 К о н у с н ы й э л е м е н т с о п л а — ″— 5 5 ,8 % S i 3 N 4 — 4 ,2 % M g O — 4 0 % н а н о T iN — ″— 5 0 ,6 — ″— 2 ,0 9 ,5 0 0 ″ ″ ″ ″ 7 8 К о л ь ц о ш а р о в о г о к р а н а — ″— 5 5 ,8 % S i 3 N 4 — 4 ,2 % M g O — 4 0 % н а н о T iN — ″— 5 0 ,6 — ″— 2 ,0 9 ,5 0 0 ″ ″ ″ ″ ИНЖЕКЦИОННОЕ ФОРМОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ НАНОПОРОШКОВ 659 660 В. В. ИВЖЕНКО ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Н. В. Новиков, В. В. Ивженко, В. А. Попов, Г. Ф. Сарнавская, Матери- аловедение тугоплавких соединений: достижения и проблемы (Киев: ИПМ НАН Украины: 2008), с. 104. 2. Н. В. Новиков, В. В. Ивженко, А. А. Лещук и др., Сверхтвёрдые мате- риалы: № 5: 3 (2004). 3. В. В. Ивженко, В. А. Попов, Г. Ф. Сарнавская, Сверхтвёрдые материа- лы: № 3: 56 (2008). 4. В. В. Ивженко, Породоразрушающий и металлообрабатывающий ин- струмент – техника и технология его изготовления и применения (Киев: ИСМ им. В. Н. Бакуля НАН Украины: 2008), вып. 11, с. 407.
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-74627
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1816-5230
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T18:40:39Z
publishDate	2011
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
record_format	dspace
spelling	Ивженко, В.В. 2015-01-22T10:58:39Z 2015-01-22T10:58:39Z 2011 Инжекционное формование изделий из нанодисперсных порошков тугоплавких соединений / В.В. Ивженко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 3. — С. 651-660. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 61.43.Gt, 62.23.Pq, 81.05.Je, 81.05.Rm, 81.07.Wx, 81.20.Ev, 81.20.Hy https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/74627 Исследованы процессы получения керамических материалов из нанодисперсных порошков тугоплавких соединений и получены исходные данные для разработки технологии изготовления из них изделий методом инжекционного формования. Виконано дослідження процесів одержання керамічних матеріялів з нанодисперсних порошків тяжкотопких сполук та одержано вихідні дані для розроблення технології виготовлення з них виробів методою інжекційного формування. Processes of ceramic-materials fabrication from nanodispersed powders of refractory compounds are investigated. Initial data are collected to develop the injection moulding production process with use of such materials. ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Инжекционное формование изделий из нанодисперсных порошков тугоплавких соединений Article published earlier
spellingShingle	Инжекционное формование изделий из нанодисперсных порошков тугоплавких соединений Ивженко, В.В.
title	Инжекционное формование изделий из нанодисперсных порошков тугоплавких соединений
title_full	Инжекционное формование изделий из нанодисперсных порошков тугоплавких соединений
title_fullStr	Инжекционное формование изделий из нанодисперсных порошков тугоплавких соединений
title_full_unstemmed	Инжекционное формование изделий из нанодисперсных порошков тугоплавких соединений
title_short	Инжекционное формование изделий из нанодисперсных порошков тугоплавких соединений
title_sort	инжекционное формование изделий из нанодисперсных порошков тугоплавких соединений
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/74627
work_keys_str_mv	AT ivženkovv inžekcionnoeformovanieizdeliiiznanodispersnyhporoškovtugoplavkihsoedinenii

Инжекционное формование изделий из нанодисперсных порошков тугоплавких соединений

Institution

Similar Items