Механизм и кинетика дробления поликомпонентных порошковых систем

В порошки железа марки ПЖР-3 и ПЖФР вводили легирующие добавки в виде феррохро-мистой лигатуры марки ФХ-850, лигатуры феррофосфора марки ФР-17, а углерод – в виде мо-нокомпонентных порошков. Измельчение (дробление) проводили в планетарной мельнице при скорости орбитального движения 610 об/мин, барабана – 1560 об/мин. Диаметр шаров 8 мм. Отношение масс мелющих тел и порошка 30:1.

ЭВОЛЮЦИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ ЧАСТИЦ

При измельчении (дроблении) порошка железа ПЖР-3 наблюдали образование следующих твердых растворов: Fе-О, Fе-С, Fе-Сг. Так содержание кислорода в порошке железа ПЖР-3, порошке ФХ 850 и смеси Fе+2%мас.Сr+1%мас.С (ПК 100X2) возросло до ~ 0,5%мас. за первую минуту измельчения и затем не менялось.

Межплоскостное расстояние в направлении (110) в порошках ПЖР 3 и ФХ 850 в интервале от 1 до 25 мин измельчения менялось не значительно, а в смеси ПК 100X2 – увеличивалось существенно (рис. 1).

Оценка эффективного коэффициента диффузии дала: D <  (3,5 • 10^-4)²/(4 π • 25 • 60) ~ 10^-11 см²/сек, что меньше характерного значения коэффициента диффузии углерода в железе, следовательно можно предположить, что образуются два твердых раствора: Fе-С и Fе-Сг.

Искажения трансляционной инвариантности кристаллической решетки в процессе измельчения характеризовали изменением физического уширения рентгеновских линий. Во всех системах стадия его быстрого роста была ~ 25 мин, а большая его величина в двух- и трехкомпонентных смесях, очевидно, обусловлена, неоднородным легированием.

Барышников Иван Николаевич, аспирант кафедры «Материалы технологии и конструирование машин».

Характер пространственного распределения дислокаций в ПЖР-3, ФХ-850 и ПК100X2 одинаков – наблюдается хаотизация их взаимного расположения в начале измельчения и тенденция к образованию ячеистой структуры при больших значениях времени измельчения (рис. 2). В более крупных частицах порошка ПЖР-3 релаксационный процесс образования ячеистой структуры протекает медленнее.

Таким образом, характерной особенностью эволюции дислокационной структуры является монотонный рост β (а значит и плотности дислокаций) в процессе измельчения, хаотизация их взаимного расположения на начальном этапе измельчения и тенденция к образованию ячеистой дислокационной структуры при больших значениях времени измельчения [1-3].

Системы на основе порошка железа ПЖФР. Кристаллическая решетка материала частиц смесей на основе порошка железа ПЖФР испытывает в процессе измельчения существенные искажения (рис. 3). В Fе и смесях, содержащих углерод, период решетки увеличивается, что связано с увеличением концентрации неравновесных вакансий и атомов внедрения: кислорода и углерода (содер-

Рис. 1. Зависимость физического уширения линии (110) от длительности деформации (измельчения)

Рис. 2. Зависимость распределения дислокаций от длительной деформации

Состав смесей: а - Fe; b — Fe-v5,6%Fe3P:с - Fe+0,8%C; d - Ре+5,6%ГезР+0,5%С

Рис. 3. Зависимость периода кристаллической решетки железа от времени измельчения жание кислорода возросло с 0,3 до 0,7%). Уменьшение периода решетки в системе Fе+Fе3Р вызвано превалирующим процессом замещения атомов железа атомами фосфора, меньшими по размеру.

Влияние неравновесных вакансий на период решетки существенно меньше полученных в эксперименте значений. Таким образом, измельчение (дробление) поликомпонентных смесей сопровождалось образованием твердых растворов.

Из сопоставления отношения физических уширений k различных порядков отражений: (110) и (220) (табл. 1) видно (k_lg = 0,251, k_sec = 0,515), что при увеличении времени измельчения распределение дислокаций в этих системах также меняется от хаотического до упорядоченного, причем в поликомпонентных смесях степень упорядоченности расположения дислокаций выше, чем в железе.

Поскольку при образовании твердого раствора и увеличении плотности дислокаций их подвижность снижается, а (табл. 1) упорядоченность взаимного расположения, т.е. доля дислокаций находящихся в дислокационных стенках, растет, это не квазиколебательный процесс самоорганизации в дислокационной структуре, а образование и рост дислокационных стенок в результате блокировки дислокаций на стопорах.

Возможны два механизма образования ячеистой дислокационной структуры. Первый: упорядочение возникает за счет междислокационного взаимодействия, приводящего к переползанию дислокаций при повышенных температурах, за счет превращения механической энергии в тепловую, которая может быть более 700°С (см. ниже). Второй: дислокации движутся под действием внешнего, случайного по величине и направлению

Таблица 1. Влияние времени измельчения на характер распределения дислокаций k = β ₁₁₀ / β ₂₂₀

механического воздействия в процессе измельчения. Были проведены дополнительные экспериментальные исследования по дроблению (измельчению) порошков железа с ПАВ. Полученные экспериментальные результаты приведены в табл. 2. ПАВ вводили в количество 30% маc.

Из табл. 2 следует, что ячеистая дислокационная структура возникает тогда, когда частицы порошка интенсивно пластически деформируются в процессе измельчения, т.е. когда ПАВ не вводили. В присутствии ПАВ имеющиеся и образу- ющиеся микротрещины становятся магистральными трещинами (из-за уменьшения поверхностной энергии микротрещин и расклинивающего влияния молекул ПАВ), по ним идет разрушение частиц порошка, сопровождающееся релаксацией внутренних напряжений. Поэтому дислокационная структура остается хаотической на протяжении всего измельчения, диссипативные процессы, в этом случае, идут не за счет перестройки дислокаций, а путем образования и раскрытия микротрещин [4].

Таблица 2. Влияние ПАВ на параметры микроструктуры

Система	Время измельчения, мин	Период кр. решетки, -1	к
Fe+5,6%Fe3	1	2,871	0,32
	25	2,868	0,13
Fe+5,6%Fe3+0,8%C	1	2,872	0,33
	25	2,873	0,44
Fe+5,6%Fe3+ai нистатин	1	2,869	0,28
	25	2,863	0,28
Ре+5,6%Ре3+вода	1	2,867	0,28
	25	2,860	0,41
Ре+5,6%Ре3+СОЖ	1	2,874	0,34
	25	2,866	0,31

МЕЗОСТРУКТУРА СМЕСИ ПОРОШКОВ

На мезоскопическом пространственном масштабе порошковая смесь характеризуется средним диаметром частиц (х), который вычисляли по величине удельной поверхности. Оказалось, что (х) = сопst(t) и равен 2 ± 0,2 мкм в порошке ПЖР 3, 1 ± 0,2 мкм в ФХ-850, 1,4 ± 0,2 мкм в ПК100Х2. Того же порядка был средний размер частиц в смесях на основе железа. ПЖФР (табл. 3).

Реальная техническая прочность металлов (s_р) обычно составляет ~ 10^-2 от теоретической ( σ _lh): σ _р ≈ σ _lh α l , где α – межатомное расстояние, l -длина трещины, откуда следует наличие в реальных материалах зародышевых трещин длины l ~ 1 мкм. Естественно предположить, что при измельчении от частиц порошка будут отделяться осколки размером ~ l . Итак, (х) ~ l ~ 1 мкм, а мезоскопический пространственный масштаб задачи определяется процессами образования и роста трещин в объеме материала частиц порошка.

Микрорентгеноспектральные исследования однородности порошковой смеси, выполненные на примере смеси Fе+0,8%С+5,6%Fе₃Р, показали (рис. 4), что коэффициент вариации концентрации фосфора, V_Р уменьшается по мере измельчения.

Поскольку размер конгломератов частиц порошка больше или порядка размера зоны излучения при микрорентгеноспектральных исследованиях (~10 мкм), то наблюдаемый эффект указывает на увеличение однородности химического состава, конгломератов по фосфору и не связан с однородностью перемешивания самих конгломератов. Из полученных результатов следует, что состав конгломератов – поликомпонентный.

В исходном состоянии структура частиц железа ПЖР-3 - феррит, форма, частиц равноосная. После измельчения в течение 1 мин частицы железа имели вытянутую форму, на шлифах наблюдаются следы пластического течения (полосы скольжения). После 5 мин измельчения смеси ПK100X2 структура частиц железа была мартенсит. Соответственно изменялась и микротвердость от 95 до 950 НV0,02 . Микротвердость моно-

Таблица 3. Зависимость среднего размера частиц порошка от времени измельчения

Химический состав смеси	Время, мин	S, м2/г	1 а, мкм
Fe	0	0,48	1,6
	1	0,30	2,5
	5	0,27	2,8
	10	0,27	2,8
	25	0,35	2,2
Fe3P	0	0,26	3,4
	1	1,07	0,8
	5	1,23	0,7
	10	0,97	0,9
	25	0,67	1,3
Fe+5,6%Fe3P+0,8%C	0	0,54	1,4
	1	0,76	1,0
	5	1,33	0,6
	10	0,71	и
	25	1,82	0.4 _

Рис. 4. Концентрационная однородность распределения фосфора в смеси Fe+0,8%С+5,6%Fe₃P

тонно росла далее при увеличении времени измельчения, достигая 1300 НV_0,02 вследствие образования бесструктурного (увеличение 1000) мартенсита, и в дальнейшем не менялась. Наблюдали также выделения карбидов Ме₃С, размером менее 0,05 мкм. Следовательно, в процессе измельчения средняя температура частиц порошка превышает температуру α → γ превращения, т.е. 727°С [5].

В смесях на основе порошка ПЖР-3 наблюдали, методом металлографии и ренгенофазного анализа, образование карбидов, а в смесях на основе ПЖФР – нет. Связано это с тем, что порошок ПЖФР содержит -0,2% мас. ванадия в виде, в основном, оксидов, расположенных на поверхности частиц железа. При нагреве ванадий практически не перераспределяется в объеме материала, в чем мы убедились методами микрорентгеноспектрального анализа и металлографии. Поэтому в процессе механоактивации ванадий, находясь на поверхности частиц, препятствовал образованию значительного количества карбидов железа, и методами рентгенофазового анализа их появление не было обнаружено.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Дислокационная структура оставалась хаотической на протяжении всего измельчения, диссипативные процессы, в присутствии ПАВ, идут не за счет перестройки дислокаций, в основном путем образования и раскрытия микротрещин.

После измельчения в течение 1 мин частицы железа ПЖР-3 имели вытянутую форму, на шлифах наблюдаются следы пластического течения (полосы скольжения). После 5 мин измельчения смеси ПК100Х2 и ПК100М структура частиц железа была мартенсит. Микротвердость монотонно росла при увеличении времени измельчения и достигла 1300 НV_0,02 вследствие образования бесструктурного мартенсита. Выявлены также выделения карбидов Ме₃С, размером менее 0,05 мкм. Следовательно, в процессе измельчения средняя температура частиц порошка превышает температуру α → γ превращения, т.е. 727°С.

В смесях порошка ПЖР-3 выявлены, методом металлографии и ренгенофазного анализа, образования карбидов, а в смесях на основе ПЖФР -нет. Связано это с тем, что порошок ПЖФР содержит -0,2% мас. ванадия в виде оксидов, расположенных на поверхности частиц железа.

В процессе механоактивации ванадий, находясь на поверхности частиц, препятствует образованию значительного количества карбидов железа, и методами рентгенофазового анализа их появление не было обнаружено.

Данная статья “Механизм и кинетика дробления поликомпонентных порошковых систем” поддержана за счет средств гранта РНФ по соглашению № 14-023-00110.