Институт черной металлургии им. З. И. Некрасова НАН Украины
Актуальность поиска эффективных путей решения проблемы повышения прочности металлов и сплавов представляет одну из самых важных задач материаловедения на всех этапах его существования. В современных условиях она связана с возрастающей потребностью техники, промышленности, строительства, транспорта и др. общественных сфер производства в высокопрочных материалах. Традиционные пути упрочнения, используемые металлургами и литейщиками на различных этапах производства металлопродукции (легирование, термодеформационная обработка и пр.), в значительной мере себя исчерпали или не могут обеспечить требуемый уровень прочностных характеристик конечной металлопродукции без ухудшения других важных ее физико-механических свойств. В то же время анализ современных публикаций свидетельствует, что широкое использование наночастиц и различных средств воздействия на металлы и сплавы при нахождении их в жидком и твердом состоянии, ведущих к формированию наноструктур, представляют эффективный путь решения возникшей проблемы.
На первом этапе исследования опробовали ввод соединений тугоплавких наночастиц в жидкий расплав меди, выбор которой в качестве исходного упрочняемого материала обусловлен, прежде всего, невысокой ее температурой плавления и близостью физико-механических свойств к свойствам железоуглеродистых материалов, а также актуальностью упрочнения медных заготовок, предназначенных для изготовления изделий, эксплуатируемых в условиях высоких термомеханических нагрузок.
На основании анализа литературных данных предложено использовать объемное наноструктурирование меди наночастицами тугоплавких соединений, действие которых обусловлено их большой площадью поверхности, высокими удельной энергией и адсорбционной способностью. При этом незначительные размеры и количество вводимых частиц не могут существенно повлиять на величину электросопротивления матричного металла. Цель настоящего исследования, согласно разработанной концепции наноструктурирования меди, состояла в выборе определении количества и эффективного способа ввода наночастиц. Выполнен аналитический обзор способов и технологий получения наноразмерных частиц и их воздействия на микроструктуру металлической матрицы различных металлов и сплавов, в частности, железоуглеродистых. Показана важная роль выбора технологии изготовления наночастиц, способа и момента их ввода в эффективности оказываемого ими воздействия на обрабатываемые материалы. С учетом основных свойств матрицы и вводимых компонентов осуществлен выбор эффективных наночастиц для наноструктурирования медного расплава. При рассмотрении технологий получения нанокомпозитов и, в частности, способов внедрения наночастиц в медную матрицу, основное внимание обращено на обеспечение ими равномерного объемного наноструктурирования медной матрицы.
В условиях лабораторной базы ИЧМ НАНУ проведены эксперименты по вводу различного количества наночастиц Cu, TiCN и SiC, разной величины в расплав меди в процессе его разливки в тигли, накануне кристаллизации. В качестве исходного материала использовали медные отходы электротехнической промышленности, которые подвергали переплаву в индукционной электропечи. При этом оценочными критериями выбраны микротвердость и степень дисперсности микроструктуры. В ходе проведенных экспериментов получены обнадеживающие результаты по измельчению микроструктуры в объеме отливок и обеспечению прочности полученных медных нанокомпозитов. Направление проведения дальнейших исследований связано с оптимизацией количества вводимых наночастиц и отработки способа ввода их в железоуглеродистые расплавы, что обусловлено неоднозначностью имеющихся в публикациях сведений по этому вопросу.