Розмір шрифту: 

Поширене використання вольфрамових важких сплавів зумовлене їхніми цінними властивостями, зокрема: високою густиною, доброю технологічністю в обробці, високою електропровідністю та стійкістю до ерозії. Завдяки цим характеристикам такі сплави знаходять застосування у виробництві маховиків, противаг, гіроскопічних роторів, центрифужних регуляторів, контактів для високовольтних вимикачів, електродів та елементів терморегулювання [1]. Виробництво виробів з важких сплавів передбачає використання надчистих, дуже дрібнодисперсних металевих порошків. Найчастіше застосовуються класичні системи сплавів, зокрема вольфрам-нікель-залізо та вольфрам-мідь-нікель. Проте використання чистих порошків має низку обмежень, серед яких – висока вартість та нерівномірний розподіл легуючих елементів при механічному змішуванні. Це зумовлено значною різницею в густині між вольфрамом та іншими компонентами, що ускладнює процес рівномірного легування матеріалу [2].

Метою роботи є вивчення впливу процесу хімічного осадження покриттів міді на частинки порошку вольфраму на закономірності консолідації важких сплавів.

Методика дослідження. Одним з ефективних способів введення легуючих елементів є плакування порошку, тобто нанесення покриття на поверхню частинки. Зокрема, мідне плакування вольфрамового порошку здійснюється методом хімічного осадження. Застосовували порошки вольфраму марки ПВ (ТУ 48-19-72-92) із середнім розміром частинок 50–100 мкм. Для проведення процесу хімічного осадження міді використовували сульфат міді CuSO₄·5H₂O, як комплексоутворювач – гліцерин, як лужний компонент – їдкий натрій, а відновником слугував розчин формальдегіду (30–40 мг/дм³). Осадження здійснювали шляхом відновлення міді з її комплексної солі формаліном у лужному середовищі. Даний процес, що відбувається за кімнатної температури, базується на відновленні міді з комплексної сполуки за допомогою формаліну при забезпеченні pH > 11, яке регулювали додаванням 25 % розчину аміаку [3].

Після завершення осадження порошки промивали водою, висушували та піддавали відпалу при температурі 350–400 °C у середовищі водню протягом 30 хв [5]. Отримані порошки пресували на гідравлічному пресі ПГ-50 статичним способом у діапазоні тисків 500–800 МПа, після чого проводили спікання при температурі 1200 °C у муфельній печі опору з ізотермічною витримкою 60 хв у середовищі водню.

Дослідження морфології, мікроструктури та хімічного складу порошків і спечених зразків здійснювали за допомогою скануючого електронного мікроскопа РЕММА-106И (Selmi, Україна), оснащеного енергодисперсійним спектрометром для визначення елементного складу. Хімічний аналіз порошків проводили із використанням рентгенофлуоресцентного аналізатора EXPERT3L [6].

Для визначення теплофізичних характеристик пресовок із композиційного порошку вольфраму, покритого міддю, застосовувався імпульсний метод вимірювання температуропровідності (ІМВТ) [7].

Результати дослідження. Було отримано композиційні порошки, що складаються з частинок вольфраму з мідним покриттям (рис. 1).

 

 

а

б

Рисунок 1. СЕМ зображення частинок порошку вольфраму плакованого міддю:

а – х100, б – х250

 

За результатами металографічного аналізу встановлено, що плакування частинок вольфраму міддю призводить до зміни їхньої форми та морфології. При цьому виявлено відмінності у вмісті міді на окремих частинках порошку, що пояснюється різною питомою поверхнею та морфологічними особливостями вихідних частинок вольфраму. На відносно гладкій поверхні частинок осаджується 12–13 % міді, тоді як на частинках із більш розвиненою поверхнею її вміст суттєво зростає і досягає 78–82 %. Нерівномірність або локальна відсутність покриття на окремих частинках зумовлена обмеженим контактом порошку з розчином, що пов’язано зі специфікою процесу перемішування.

Згідно з результатами рентгенофлуоресцентного хімічного аналізу встановлено, що плакування міддю забезпечує загальний вміст міді у порошку вольфраму на рівні близько 4,5–4,7 % після осадження протягом 120 хв.

За результатами імпульсного методу вимірювання температуропровідності можна стверджувати, що збільшення тиску пресування для W–5 % Cu призводить до деякого зростання пікової інтенсивності та зміщення піку в бік менших значень часу при тисках 600–800 МПа в порівнянні з 500 МПа, що вказує на кращі теплофізичні властивості при вищих тисках тоді, як подальше збільшення тиску приводить до збільшення контакту між частинками, тобто пластичної деформації брикетів.  Пористість залишається на рівні 35 %. Плаковані порошок мають кращу ущільнюваність при відносно низьких тисках тому, що плаковані частинки мають форму близьку до сферичної за рахунок покриття.

Спікання зразків у середовищі водню при температурі 1200 ^оС приводить до зниження пористості в межах 8–10 %. Таке зниження пористості пояснюється значною об’ємною усадкою брикетів до 23–28 %, що пов’язано із процесами рідкофазного спікання у вакуумі. Через погану взаємодію міді та вольфраму не відбувається часткової розчинності вольфраму, що дає змогу краще дослідити розподіл фаз по об’єму пресовки, адже чіткішими будуть межі фаз.

В результаті досліджень поверхні спечених зразків з плакованого міддю порошку вольфраму на скануючому електронному мікроскопі, було встановлену, що такі зразки мають досить рівномірний розподіл фаз по об’єму в порівнянні зі зразками з таким же складом та умовами пресування та спікання, але отриманими іншими способами.

Висновки. В результаті роботи було вивчено процес хімічного осадження міді на частинки вольфраму та досліджено фізичні та технологічні властивості композиційних порошків. Отримані результати дозволяють стверджувати про доцільність та ефективність запропонованого підходу до створення вольфрамових сплавів із плакованих порошків. Такі зразки мають більш рівномірний розроділ фаз порівняно із зразками, отриманими з сумішей порошків або шляхом просочення. Дані дослідження можуть бути корисними при розробці важких сплавів для військових та машинобудівних цілей.

 

Література:

1. Randall M. German. Sintered tungsten heavy alloys: Review of microstructure, strength, densification, and distortion // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2022. – Vol. 108,  105940 https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2022.105940
2. Muller A.V., Ewert D., Galatanu A. Milwich, R. Neu, Pastor J.Y., Siefken U., Tejado E., You J.H. Melt infiltrated tungsten–copper composites as advanced heat sink materials for plasma facing components of future nuclear fusion devices // Fusion Engineering and Design. – 2017. – Vol. 124. – P. 455–459. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2017.01.042
3. Randall M. German. Review: liquid phase sintering [Electronic resource] / R. M. German, P. Suri, S. J. Park // Journal of Materials Science. – 2009. – Vol. 44. – P. 1-39. – Mode of access: https://doi.org/10.1007/s10853-008-3008-0
4. Dong L.L., Ahangarkani M.,  Chen W.G.,  Zhang Y.S. Recent progress in development of tungsten-copper composites: Fabrication, modification and applications // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. –2018. – Vol. 75. –  P. 30-42  https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2018.03.014
5. Pawel Bacal, Mikolaj Donten, Zbigniew Stojek Electrodeposition of high-tungsten W-Ni-Cu alloys. Impact of copper on deposition process and coating structure // Electrochimica Acta, Volume 241, 1 July 2017, P. 449-458. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2017.05.004
6. Chen X., Li H., Yan X., Wang Y. Miao Explosive compact-coating of tungsten–copper alloy to a copper surface // Materials Research Express. – 2017. – Vol. 4. – P. 138–147 https://doi.org/10.1088/2053-1591/aa664c
7. Senthilnathan, N., Raja Annamalai, A. & Venkatachalam, G. Sintering of Tungsten and Tungsten Heavy Alloys of W–Ni–Fe and W–Ni–Cu: A Review. Trans Indian Inst Met 70, 1161–1176 (2017). https://doi.org/10.1007/s12666-016-0936-2

Плакування; важкі сплави; вольфрам; мідь; матеріалознавство