Углерод

Dec 13, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 17850 (2022) Цитировать эту статью

722 доступа

Подробности о метриках

В статье исследовано влияние углеродного покрытия на нанопорошок железа, используемый в качестве спекающей добавки для распыляемого водой порошка железа. Нанопорошок железа без такого покрытия использовался в качестве эталонной добавки для спекания, чтобы изолировать влияние углеродного покрытия. Оба варианта нанопорошка были охарактеризованы с помощью РФЭС и HRTEM. Результаты показали структуру ядро-оболочка для обоих вариантов. Нанопорошок железа покрыт слоем оксида железа толщиной 3–4 нм, а нанопорошок железа с углеродным покрытием инкапсулирован несколькими нанометрическими слоями углерода. Термогравиметрия, проведенная в среде чистого водорода, показывает многопиковое поведение для нанопорошка железа с углеродным покрытием, тогда как для нанопорошка железа наблюдается однопиковое поведение. Два типа микро/нанобимодальных порошков были получены путем смешивания нанопорошка с распыленным водой порошком железа. Улучшение линейной усадки наблюдалось во время спекания при добавлении нанопорошка железа с углеродным покрытием. Это можно объяснить уменьшением поверхностной диффузии в нанопорошке, вызванным углеродным покрытием, которое позволяет нанопорошку спекаться при более высоких температурах и улучшает уплотнение. Также были выполнены анализ углерода и кислорода, измерения плотности, оптическая микроскопия и расчеты JMatPro.

Прессование и спекание — это метод порошковой металлургии (ПМ), при котором для обработки металлического порошка до требуемой формы используются такие методы формования, как одноосное уплотнение, после чего компактный материал спекается, чтобы сделать его пригодным для применения. При спекании деталь нагревают, чтобы частицы металла сцепились друг с другом, что придает необходимую прочность. Полученная прочность пропорциональна плотности компонента1. Следовательно, крайне важно повышать плотность для улучшения свойств компонентов ПМ и последующего расширения диапазона их применения. Плотность можно улучшить разными способами, например, добавив добавку для спекания. Нанопорошок является одним из таких вспомогательных средств для спекания и, как известно, снижает энергию активации, необходимую для спекания2,3. Добавление нанопорошка было исследовано в области литья металлов под давлением (MIM), где наблюдались улучшенные свойства4.

Наночастицы обладают уникальными свойствами, зависящими от размера, которые объясняются большой долей атомов, присутствующих на поверхности этих материалов по сравнению с их противообъемными материалами5,6. Эти уникальные свойства были использованы для применения в таких областях, как химический анализ, микроэлектроника, биологические сенсоры и другие функциональные приложения7,8. Однако для того, чтобы наночастицы были полезны в этих приложениях, важно, чтобы они оставались стабильными и сохраняли свой размер. Из-за большого отношения поверхности к объему с ними связана избыточная поверхностная энергия. Поэтому они имеют сильную тенденцию к слиянию, что приводит к значительным изменениям в технологичности. Нанопорошок может быть покрыт углеродом, который стабилизирует наночастицы от агломерации и коалесценции. Нанопорошок железа с углеродным покрытием использовался в таких приложениях, как магнитное хранение данных, магнитные тонеры в ксерографии, контрастные вещества в магнитно-резонансной томографии, подложки для катализаторов и системы доставки лекарств и генов9,10,11,12,13. Кроме того, углеродное покрытие является источником углерода, который в противном случае пришлось бы добавлять отдельно, чтобы задать окончательный состав спеченной стали14.

В предыдущей работе авторы исследовали добавление нанопорошка чистого железа в качестве вспомогательного средства для спекания к распыленному водой порошку железа15. Кривые спекания показали явное влияние добавления нанопорошка на поведение при спекании этих микро/нанобимодальных порошковых прессовок. Эксперименты по спеканию, проведенные при периодических температурах для отслеживания развития спекаемых шеек с повышением температуры, и последующий фрактографический анализ прессовок показали, что спекание нанопорошка происходит при температурах всего 600 °C, что ниже начала спекания микрометровых размеров. базовый порошок по размеру. Хотя линейная усадка распыленного водой порошка железа улучшилась при добавлении нанопорошка железа в качестве добавки для спекания, необходимы дальнейшие улучшения. Это сделано для того, чтобы обеспечить адаптацию прессованных деталей почти полной плотности и синтерированных деталей из ПМ в тех областях, где они в настоящее время не используются, где необходимы улучшенные характеристики. Для достижения почти полной плотности используется горячее изостатическое прессование (ГИП). Для обеспечения ГИП без капсул необходима закрытая пористость (теоретическая плотность 95%) или почти закрытая пористость. Это исследование является частью более широкой программы по измерению эффективности использования нанопорошка в качестве вспомогательного средства для спекания для достижения закрытой пористости в распыленном водой железном порошке.