НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

ОРОЗОВ ІГОР АНАТОЛІЙОВИЧ

УДК 621.78:661.55:669.71

РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЇ ВОДНЕВОТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ НІТРИДУ АЛЮМІНІЮ

пеціальність 05.17.01 – технологія неорганічних речовин

ВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

иїв – 2004

Дисертацією є рукопис

обота виконана в Інституті проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України (м. Київ).

Науковий керівник: | академік НАН України,

Трефілов Віктор Іванович,

Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, м. Київ,

директор

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, доцент

Цибульов Павло Миколайович,
Інститут інтелектуальної власності та права м. Київ,

перший проректор

кандидат технічних наук,

старший науковий співробітник

Фесенко Ігор Павлович,

Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля
НАН України, м. Київ,
старший науковий співробітник

Провідна установа: | Інститут загальної та неорганічної хімії
ім. В. І. Вернадського НАН України, м. Київ

Захист дисертації відбудеться 26.01.2005 р. о 1600 на засіданні спеціалізованої вченої ради – Д26.002.13 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут”. 03056, Київ-56, пр. Перемоги, 37, корпус № 4, велика хімічна аудиторія.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного технічного університету України “КПІ”.

??????????? ?????????? 25.12.2004 ????.

чений секретар спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент Т. І. Мотронюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Важливою умовою розвитку сучасної техніки є розробка технологій створення жаростійких матеріалів із підвищеними експлуатаційними характеристиками. Нітрид алюмінію завдяки його фізико-механічним властивостям застосовують у техніці високих температур, як зносостійкий, вогнетривкий і електроізоляційний матеріал. Вироби з нітриду алюмінію одержують методами порошкової металургії. При цьому слід враховувати, що процеси ущільнення при спіканні порошків тугоплавких сполук ускладнені низькими значеннями коефіцієнтів дифузії, низькою концентрацією і рухливістю дефектів кристалічної гратки, пасивуванням поверхні порошку атомами хемосорбованих домішок.

Традиційно для покращення процесів спікання тугоплавких сполук застосовують фізичні (механічні) або хімічні способи активації. Найбільш поширеними є механічні способи (помел у млинах, прокатка, ударна обробка), які викликають подрібнення часток і генерують дефекти в них. Недоліками цих способів є значне підвищення кількості домішок та забруднення повітря ультра- і тонкодисперсними частками.

Відомо, що водневотермічна обробка (ВТО) металевих порошків зменшує вміст домішок кисню, підвищує пластичність спечених виробів, однак її вплив на активацію процесів спікання порошків тугоплавких сполук, і в тому числі нітриду алюмінію, ще не досліджено. У той же час відомо, що водень з деякими елементами, не виключаючи і метали, утворює газоподібні сполуки у вигляді гідридів. Це свідчить про те, що водневотермічна обробка може зменшувати вміст домішкових елементів у порошках і внаслідок цього –підвищувати експлуатаційні характеристики спечених виробів із нітриду алюмінію, виключаючи екологічно шкідливі етапи виробництва.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано відповідно до Державної науково-технічної програми Національної Академії наук України 1.6.2.3–97 “Фізико-хімічні основи отримання нових жаростійких матеріалів”, напрям 3 “Дослідження хімічної активації воднем порошків неметалевих тугоплавких сполук – нітридів кремнію і алюмінію і композицій на їх основі та вивчення процесів їх ущільнення при спіканні”, та згідно з планами науково-дослідних робіт Інституту проблем матеріалознавства НАН України.

Мета і завдання дослідження. Мета даної роботи – розробити технологію водневотермічної обробки порошків нітриду алюмінію для отримання виробів з підвищеними експлуатаційними характеристиками.

Для досягнення поставленої мети було визначено такі основні завдання:

- вивчити вплив водневотермічної обробки на склад порошків нітриду алюмінію різної дисперсності;

- визначити оптимальні умови водневотермічної обробки порошків нітриду алюмінію;

- дослідити вплив водневотермічної обробки на кінетику ущільнення порошків нітриду алюмінію при гарячому пресуванні та холодному пресуванні з подальшим спіканням;

- вивчити вплив водневотермічної обробки на властивості гарячепресованих і спечених зразків;

- розробити оптимальні технологічні режими одержання виробів із нітриду алюмінію з підвищеними експлуатаційними характеристиками при застосуванні водневотермічної обробки вихідних порошків.

Об’єкт дослідження – порошки нітриду алюмінію із середньою дисперсністю 50,4 і 11,8 мкм.

Предмет дослідження – вплив водневотермічної обробки на властивості порошків нітриду алюмінію і виробів із них.

Методи дослідження. Водневотермічна обробка проводилась на спеціально розробленій установці. Для визначення складу домішкових елементів застосовувались хімічні методи та метод вторинної іонної мас-спектроскопії. Для дослідження структури порошків і виробів з них використовувалась інфрачервона спектроскопія (ІЧ), рентгеноструктурний аналіз, електронно-мікроскопічні дослідження (просвічуюча електронна мікроскопія у поєднанні з мікродифракцією та растрова електронна мікро-скопія у поєднанні з рентгеноспектральним мікроаналізом). Застосовувались методи визначення фізико-механічних властивостей (щільності, мікротвер-дості, тріщиностійкості, механічної міцності, електроопору, діелектричних властивостей).

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше розроблено технологію водневотермічної обробки порошків нітриду алюмінію, що поліпшує експлуатаційні характеристики виробів з них.

2. Вивчено вплив ВТО на склад, структуру, дисперсність і стан поверхні порошків, визначено оптимальні технологічні параметри обробки вихідних порошків різної дисперсності.

3. Встановлено, що водневотермічна обробка підвищує чистоту порошків, збільшує їх реакційну поверхню, активує процес ущільнення при гарячому пресуванні або спіканні, підвищує фізико-механічні властивості компактних зразків тим більше, чим дрібніші вихідні порошки.

Практичне значення отриманих результатів.

Методами гарячого пресування і пресування з наступним спіканням було отримано вироби з порошків нітриду алюмінію після ВТО з підвищеними експлуатаційними характеристиками. Розроблено оптимальні технологічні режими одержання виробів з нітриду алюмінію із застосуванням водневотермічної обробки вихідних порошків. За розробленими технологіями з обробленого воднем дрібнодисперсного порошку AlN були виготовлені дослідні партії газопідвідних сопел для зварювання неплавким електродом в інертному газі (аргон). Проведені лабораторні дослідження сопел на кафедрі електрозварювальних установок Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” і промислові випробування на МПП “ВИТ” показали, що сопла із нітриду алюмінію експлуатуються в середньому в чотири-п’ять разів довше, ніж сопла, виготовлені за традиційними технологіями. Це дозволяє рекомендувати їх для серійного виробництва і використання у зварювальній техніці.

Особистий внесок здобувача: розробка загальної конструкції установки для водневотермічної обробки порошків, термодинамічне моделювання, проведення експериментальних досліджень і дослідження впливу водневотермічної обробки на властивості порошків і спечених зразків із нітриду алюмінію, оптимізація умов ВТО.

Спільно з к.т.н. Л.А. Іванченко проведено ІЧ-спектроскопію. Рентгенструктурний аналіз проводився спільно з к.т.н. І.І. Тимофєєвою. Спільно з д.т.н. Г.С. Олійник виконано просвічуючу електронну мікроскопію у поєднанні з мікродифракцією та растрову електронну мікроскопію у поєднанні з рентгенспектральним мікроаналізом. Дослідження фізико-механічних властивостей проводилось спільно з к.т.н. А.В. Сліпенюком.

Постановка завдання, обговорення результатів дослідження та форму-лювання висновків проводилось спільно з науковим керівником академіком НАН України В.І. Трефіловим і науковим консультантом к.т.н. Т.В. Дубо-вик, яким дисертант висловлює глибоку подяку.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи було викладено в доповідях на: VIII науковому семінарі “Методи отримання, властивості і галузі застосування нітридів” (1995, Київ) і на міжнародних конференціях: “Водневе матеріалознавство і хімія гідридів металів” (1995, 1997, 1999, 2001, Кацивелі, Крим), “Передові термічні технології і матеріали” (1997, Кацивелі, Крим), “Матеріали і покриття в екстремальних умовах: дослідження, використання, екологічно чисті технології виробництва та утилізація виробів” (2000, Кацивелі, Крим), “Передова кераміка – третьому тисячоліттю” (2001, Київ).

Публікації. За результатами проведених досліджень опубліковано 6 статей, отримано патент України, опубліковано тези доповідей на міжнарод-них конференціях.

Обсяг і структура дисертації. Дисертація складається із вступу, семи розділів, списку використаної літератури і додатків. Робота виконана на 117 сторінках тексту, містить 27 рисунків, 24 таблиці і 2 додатки. Список літератури включає 88 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи із створення технології водневотермічної обробки нітриду алюмінію, визначено мету і завдання дослідження, розкрито наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів.

У першому розділі дисертації проаналізовано літературні дані про способи отримання порошку нітриду алюмінію і виробів з нього, властивості нітриду алюмінію, галузі застосування, способи підвищення характеристик спечених матеріалів з нього. Особливу увагу звернено на існуючі технології активації процесів спікання. Обґрунтовано перспективність застосування водневотермічної обробки як одного із видів впливу на порошки для активації процесів їх спікання. Показано, що забруднення порошків домішками значно погіршує експлуатаційні характеристики спечених виробів. Малий радіус атома водню, висока дифузійна і реакційна здатність дозволяють йому легко проникати в кристалічну гратку речовин і утворювати леткі сполуки з адсорбованими домішками. Ця особливість використовується для очищення металевих порошків від домішок. В літературі відсутні дані про застосування водневотермічної обробки порошків безкисневих важкоплавких речовин (у тому числі й нітриду алюмінію).

На основі огляду літератури обґрунтовано актуальність проблеми, сформульована мета та основні завдання дослідження.

У другому розділі характеризуються об’єкти дослідження, технологічні процеси і застосування обладнання, описано методики дослідження властивостей порошків нітриду алюмінію і виробів з них.

Об’єктами дослідження було обрано порошок нітриду алюмінію Донецького заводу хімреактивів із середнім розміром часток 50,4 мкм і цей же порошок після розмолу у вібромлині М-10 протягом 8 годин із середньою дисперсністю 11,8 мкм. Дисперсність досліджували на лазерному аналізаторі “SK Laser Micron Sizer Pro-7000” (фірма “Сейсин”, Японія).

Хімічний аналіз, рентгенівські (ДРОН-3М), ІЧ-спектроскопічні (“Specord” JP-72), електронно-мікроскопічні (“Camebax” SX-50) досліджен-ня, вивчення фізико-механічних властивостей (щільності, мікротвердості, тріщиностійкості, механічної міцності, електроопору, діелектричних властивостей) здійснено за загальноприйнятими методиками.

Водневотермічну обробку проведено на лабораторній установці, схема якої наведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема установки для ВТО порошків нітриду алюмінію.

Р1 – реактор для обробки матеріалів воднем; Р2 – реактор з титановою губкою (гідрид титану); ВЗ1-11 – вентилі запорні; МД1,2 – манометри надлишкового тиску; МЭ1,2 – вакууметри; ЛВ – пастка для вологи; Б – балон з воднем; НФ – насос форвакуумний; НД – насос дифузійний.

Водневотермічну обробку проведено з часом витримки 30-60 хв при температурах 1173-1373 К (швидкість нагрівання 3 град/хв), абсолютному тиску 0,15-0,17 МПа.

Гаряче пресування виконували на гідравлічному пресі у графітових прес-формах при температурі 1773-2173 К, тиску 300 МПа і витримці 1-10 хв.

Холодне пресування здійснювали на гідравлічному пресі під тиском 20-100 Мпа, спікання проводили в печі Тамана в середовищі азоту при температурі 1873-2373 К.

Третій розділ присвячено визначенню та оптимізації умов воднево-термічної обробки. Проведено термодинамічне моделювання реакцій взаємодії водню з елементами, що найчастіше зустрічаються як домішки в нітриді алюмінію, проаналізовано термодинамічну можливість проходження реакцій: Al2O3+3H2=2Al+3H2O; Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O; SiO2+2H2=Si+2H2O; O2+2H2=2H2O; 2Al+H2=2AlH; S+H2=H2S; N2+2H2=N2H4; N2+3H2=2NH3; C+2H2=CH4; 2С+ Н2=С2Н2; С2Н2+Н2=С2Н4; 2С+2Н2=С2Н4; 2С+3Н2=С2Н6; 2Si+H2=2SiH; Si+H2=SiH2; Si+3H2=2SiH3; Si+2H2=SiH4; 2P+3H2=2PH3; 2AlN+H2=2AlH+N2; AlN+2H2=AlH+NH3. Показано, що в результаті водневої обробки можуть утворюватися леткі сполуки алюмінію, кисню, вуглецю, сірки (рис. 2).

Рис. 2. Енергія Гібса найбільш імовірних реакцій при водневотермічній обробці: 1 – 2Al+H2=2AlH; 2 – O2+2H2=2H2O; 3 – SiO2+2H2=Si+2H2O; 4 – 2С+Н2=С2Н2; 5 – S+H2=H2S; 6 – С2Н2+Н2=С2Н4; 7 – C+2H2=CH4; 8 – 2С+2Н2=С2Н4.

За результатами термодинамічного моделювання розраховано масу наважки порошку нітриду алюмінію для проведення ВТО. Технологічні режими водневотермічної обробки оптимізували за зменшенням кількості домішок. Результати досліджень хімічного складу порошків нітриду алюмі-нію після водневотермічної обробки в інтервалі температур 1173-1373 К та часу витримки – 10-60 хв показали, що оптимальними технологічними умо-вами водневотермічної обробки є температура 1323 К та час витримки 30 хв (рис. 3).

Рис. 3. Зміна кількісного складу домішкових елементів у дрібно-дисперсних порошках нітриду алюмінію при 1173 (1), 1223 (2), 1273 (3), 1323 (4) и 1373 К (5).

Подальше збільшення температури та часу обробки не змінило кількість домішок.

У четвертому розділі наведено результати дослідження впливу водневотермічної обробки на властивості порошків нітриду алюмінію. Показано, що після обробки вміст домішок у крупнозернистих порошках зменшився в 3-5 разів, у дрібнодисперсних – у 3-12 разів (табл. 1).

Таблиця 1

Хімічний склад порошків нітриду алюмінію до і після
водневотермічної обробки

Порошок нітриду алюмінію | Хімічний склад порошків AlN, %(мас)

Al | N | O | C | S

Крупнодисперсний: вихідний | 63,5 | 31,9 | 1,9 | 0,7 | 0,3

оброблений | 65,1 | 32,7 | 0,3 | 0,2 | 0,1

Дрібнодисперсний: вихідний | 62,7 | 31,6 | 2,6 | 0,8 | 0,3

оброблений | 65,6 | 33,1 | 0,2 | 0,1 | 0,1

Аналіз спектрів проникнення в інфрачервоній смузі свідчить про наближення складу порошку AlN до стехіометрії. Дані рентгено-структурного аналізу вказують на відпал мікродефектів в частинках порошків нітриду алюмінію.

Дослідження структури порошків до і після водневотермічної обробки методом растрової електронної мікроскопії в поєднанні з рентген-спектральним мікроаналізом показали, що:

- збільшення температури водневотермічної обробки сприяє розрихленню агрегатів частинок нітриду алюмінію та збагаченню порошку частинками малого розміру;

- із збільшенням температури водневотермічної обробки відносний вміст кисню в порошку нітриду алюмінію зменшується;

- диспергування агрегатів частинок нітриду алюмінію під час відпалу і зменшення вмісту кисню свідчать про те, що ці процеси взаємопов’язані. Це зумовлено тим, що кисень знаходиться на поверхні частинок порошку в адсорбованому стані. Десорбція кисню під час водневотермічної обробки розрихляє агрегати частинок порошку.

Встановлено, що гранулометричний склад порошку нітриду алюмінію до і після водневотермічної обробки має суттєву відмінність: у вихідному порошку міститься приблизно 7частинок розміром 0,5-2 мкм поліедричної форми. Інші частинки нітриду алюмінію представлені агрегатами двох типів: перший – розпушені плоскі агрегати розміром 5-7 мкм, подекуди з’єднані між собою “містками” із плівки (20%); другий – безпористі обємні агре-гати розміром 10-20 мкм і більше, з’єднані між собою плівочними утвореннями (основна маса). Після ВТО основною складовою порошку (близько 90%) є частинки розміром 0,5-1мкм. Безпористих об’ємних агрегатів зовсім не виявлено, зберігаються тільки розпушені агрегати розміром 3-5 мкм (10%).

Таким чином, водневотермічна обробка зменшує кількість кисню та інших домішок шляхом утворення летких сполук з воднем, наближує склад порошку до стехіометрії, зменшує гранулометричний склад за рахунок “розпушування” воднем зєднань між частками у порошкових агрегатах, а також знижує дефектність і мікродеформацію частинок порошку.

У п’ятому розділі викладено результати вивчення впливу воднево-термічної обробки порошків нітриду алюмінію на процеси ущільнення при гарячому пресуванні. Досліджено кінетику ущільнення вихідних крупно- та дрібнодисперсних порошків в інтервалі температур 1773-2173 К та часу витримки 1-10 хв при кожній температурі. Показано, що водневотермічна обробка суттєво впливає на кінетику ущільнення порошків (рис. 4).

а) б)

Рис. 4. Кінетичні криві ущільнення крупнодисперсного (а) та дрібно-дисперсного (б) порошків нітриду алюмінію у процесі гарячого пресування при різних температурах: 1 – 1773 К; 2 – 1873 К; 3 – 1973 К; 4 – 2073; 5 – 2173 К. Суцільна лінія – вихідний, пунктирна – оброблений порошок.

Щільність зразків з обробленого крупнодисперсного порошку досягає теоретичної при температурі 2173 K на відміну від зразків із вихідних по-рошків, максимальна щільність яких досягає лише 94%. Дрібнодисперсний порошок після водневотермічної обробки стає ще більш активним, і в процесі гарячого пресування зразки набувають теоретичної щільності при температурі на 200? нижче, ніж до обробки (1873 і 2073 К відповідно).

На основі отриманих даних встановлено оптимальний термін гарячого пресування порошків: для крупнодисперсних – 7 хв, для дрібнодисперсних – 5 хв.

Досліджено тріщиностійкість і мікротвердість зразків, отриманих за оптимальними термінами гарячого пресування при температурах 1773-2173 К (з кроком 100?). Показано, що тріщиностійкість зразків після обробки зростає на 18-19% для крупнодисперсних порошків і на 12-13% для дрібнодисперсних порошків, мікротвердість зростає на 23-31% і 19-25% відповідно (рис. 5).

а) б)

Рис. 5. Вплив температури водневої обробки на мікротвердість (а) і тріщиностійкість (б) зразків нітриду алюмінію: 1 – вихідний крупно-дисперсний; 2 – вихідний дрібнодисперсний; 3 – оброблений крупнодисперсний; 4 – оброблений дрібнодисперсний.

Проведено порівняльне дослідження мікроструктури зразків. Зразки з вихідних порошків мають однорідну зернисту структуру, середній розмір зерна – 3-4 мкм, є суцільні міжзернові проміжки, заповнені виділеннями, що, за даними мікрорентгенівського аналізу, збагачені киснем. Зразки з оброблених порошків мають значні відмінності: для них характерна різнозернистість, розмір зерен коливається від 5-6 мкм до 0,3-0,6 мкм, міжзеренні межі добре сформовані, а в стиках зерен є виділення розміром 0,1-0,2 мкм, при цьому їх значно менше, ніж у зразках з необробленого порошку.

Зазначені особливості мікроструктури вказують на те, що у зразках порошків після ВТО процеси збиральної рекристалізації відбуваються більш інтенсивно. Цьому сприяє менша кількість домішок, що створює умови для утворення міжзеренних меж. Покращення механічних властивостей пояснюється насамперед відсутністю суцільних міжзеренних прошарків, що складаються з домішкових елементів.

У шостому розділі досліджено вплив водневотермічної обробки на процеси холодного пресування з подальшим спіканням.

Процеси ущільнення пресовок дрібнодисперсних порошків нітриду алюмінію, як вихідних, так і після водневотермічної обробки, вивчалися на дрібнодисперсних зразках, отриманих холодним пресуванням під тиском 20-100 МПа. Експериментальні дані доводять: щільність пресовок з обробленого порошку нижча, ніж з вихідного. Це пов’язано із збільшенням питомої поверхні порошків після обробки, що утруднює процес їх ущільнення при холодному пресуванні. Встановлено, що оптимальним режимом пресування оброблених порошків є 90-100 МПа.

Кінетику ущільнення отриманих пресовок (тиск 100 МПа) з дрібно-дисперсних порошків AlN вивчали при температурах спікання 1973 та 2073 К і часі витримки 0,25-2,5 год (через кожні 0,25 год) при кожній температурі. Дослідження показали, що на процес ущільнення впливають параметри спікання (температура, час витримки), а також ВТО. В цілому підвищення температури спікання і часу витримки при заданій температурі сприяє активізації процесів масообміну за рахунок дифузійно-в’язкої течії, а це, у свою чергу, призводить до збільшення щільності зразків. Показано, що при вказаних температурах спікання оптимальною є витримка 1,5 год.

Для визначення оптимальної температури спікання зразки, виготовлені з порошків AlN до і після ВТО, спікали при температурах 1873-2373 К (з кроком 100?) і витримці 1,5 год при кожній температурі. Значення відносної щільності зразків, отриманих за заданими режимами, наведено на рис. 6.

Рис. 6. Відносна щільність зразків нітриду алюмінію, отриманих методом пресування і подальшим спіканням з вихідних та оброблених у водні порошків різної дисперсності: 1 – вихідний крупнодисперсний поро-шок; 2 – вихідний дрібнодисперсний; 3 – оброблений крупнодисперсний; 4 – оброблений дрібнодисперсний.

Отримані дані підтверджують суттєвий вплив ВТО вихідних порошків AlN на процес спікання пресовок. Він тим активніший, чим дрібніші ці порошки. За мірою ущільнення дрібнодисперсні порошки без обробки наближаються до крупнодисперсних після обробки. Найбільшу відносну щільність мають зразки, спечені з дрібнодисперсного порошку нітриду алюмінію, обробленого в середовищі водню, до того ж, інтенсивне ущільнення цих зразків відбувається в інтервалі температур 1873-2273 К. При вищих температурах щільність зразків знижується внаслідок дисоціації AlN. Оптимальною температурою спікання для зразків без ВТО є 2173 К, а з обробкою – 1973 К.

Було досліджено фізико-механічні властивості спечених зразків, отриманих із дрібнодисперсних порошків до і після ВТО, а також їх структурні особливості. Отримані дані свідчать про вплив ВТО вихідних порошків на підвищення механічної міцності, питомого електроопору і діелектричних характеристик, що пов’язано з активуючим впливом обробки на ущільнення при спіканні та з очищенням вихідних порошків від домішок (табл. 2 і 3).

Таблиця 2

Порівняльні властивості зразків нітриду алюмінію, отриманих
з вихідного та обробленого дрібнодисперсного порошку AlN

Властивості | Вихідний | Оброблений

Щільність, кг/м3 | 2170 | 2880

Межа міцності при стисканні, МПа | 175 | 322

Межа міцності при згинанні, МПа | 153 | 275

Питомий електроопір, Омсм, при температурі, K

293 | >1013 | >1013

1073 | 4·106 | 2107

1473 | 9103 | 3105

Таблиця 3

Діелектрична проникність і тангенс кута діелектричних
втрат tg при 293 K зразків нітриду алюмінію, отриманого з вихідного
та обробленого дрібнодисперсного порошку AlN

Частота, Гц | Вихідний | Оброблений

tg | tg

1103 | 5,8 | 0,0500 | 5,2 | 0,004

3104 | 5,8 | 0,0114 | 2,5 | 0,001

9104 | 3,2 | 0,0058 | 2,3 | 0,0002

1105 | 3,2 | 0,0060 | 2,3 | 0,0025

5105 | 3,2 | 0,0080 | - | -

Структура спечених зразків після ВТО характеризується збільшенням середнього розміру зерен, що пов’язано з активацією процесів збиральної рекристалізації.

У сьомому розділі наведено дані про практичне використання розроблених технологій отримання виробів з порошків нітриду алюмінію після ВТО. Представлені технологічні схеми отримання виробів способом гарячого пресування і холодного пресування із спіканням порошків нітриду алюмінію до і після ВТО. Розраховано економічний ефект впровадження ВТО. За розробленими оптимальними режимами пресування з подальшим спіканням з обробленого воднем дрібнодисперсного порошку AlN була виготовлена дослідна партія газопідвідних сопел для зварювання неплавким електродом в інертному газі (аргон). Проведені лабораторні випробування сопел на кафедрі електрозварювальних установок Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” і промислові випробування на МЧП “ВИТ” показали, що термін експлуатації сопел із нітриду алюмінію, одержаного з використанням ВТО, в середньому в чотири-п’ять разів більший, ніж сопел, виготовлених за традиційними технологіями. Це дозволяє рекомендувати їх для промислового використання.

ВИСНОВКИ

1. Досліджено вплив ВТО на хімічний склад порошків нітриду алюмінію різної дисперсності при температурі 1173-1373 К та часу витримки 10-60 хв при кожній температурі.

2. За результатами хімічного аналізу визначено оптимальний режим водневотермічної обробки порошків нітриду алюмінію – температура 1323 К, термін витримки 30 хв. При цьому вміст домішкових елементів в грубо-дисперсному порошку зменшується в 3-5 разів, а в дрібнодисперсному – в 3-12 разів порівняно з вихідними порошками.

3. Структурними дослідженнями показано, що ВТО призводить до зменшення дефектності та мікродеформації частинок порошку, розпушування агломератів і збільшення внаслідок цього відносної кількості часток малого розміру у складі порошку.

4. Визначено, що ВТО активує процес ущільнення порошків нітриду алюмінію. Це дозволяє знизити температуру гарячого пресування або спікання на 100-200? і отримати зразки з більш високими значеннями щільності.

5. Встановлено, що ВТО вихідних порошків при гарячому пресуванні та спіканні активізує процеси масоперенесення в межах зерен, що обумовлено очисткою поверхні часток від домішок і розчиненням у гратці нітриду алюмінію водню.

6. Показано, що використання ВТО порошків сприяє підвищенню фізико-механічних властивостей гарячепресованих і спечених матеріалів: тріщиностійкість і мікротвердість зразків зростає на 15-30%, міцність – на 10-30% відповідно. При цьому електроопір і діелектричні характеристики спечених зразків зростають.

7. Проведені лабораторні дослідження на кафедрі електрозварю-вальних установок Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” і промислові випробування на МПП “ВИТ” показали, що термін експлуатації сопел із нітриду алюмінію, одержаного з використанням ВТО, в середньому в чотири-п’ять разів більший, ніж сопел, виготовлених за традиційними технологіями. Це дозволяє рекомендувати їх для серійного виробництва.

8. Отримані вперше наукові і практичні результати свідчать про перспективність використання ВТО для одержання виробів з нітриду алюмінію з підвищеними експлуатаційними властивостями. Даний технологічний напрям потребує подальших досліджень і може бути поширений на інші безкисневі тугоплавкі сполуки.

Публікації по темі дисертації:

1. Морозов И. А., Сатанин С. В., Шевченко О. А. Влияние газо-термической обработки на спекание и микроструктуру нитрида алюминия // Актуальные вопросы материаловедения: Сб. научн. трудов АН Украины. – К.: ИПМ НАНУ, 1991. – С. 128-133.

Здобувачем розроблені основи газотермічної обробки порошків нітриду алюмінію та досліджено її вплив на їх мікроструктуру.

2. Ткаченко Ю. Г., Морозова Р. А., Юрченко Д. З., Шевченко О. А., Морозов И. А., Сатанин С. В. Влияние химико-термической обработки порошков нитрида алюминия на структуру и свойства горячепрессованой керамики на его основе. // Порошковая металлургия 1995. – № 1-2. – С. .

Здобувачем досліджувався вплив технологічних параметрів газотермічної обробки на фізико-механічні властивості гарячепресованих зразків нітриду алюмінію.

3. Трефилов В. И., Морозов И. А., Сатанин С. В., Юрченко Д. З., Морозова Р. А. Влияние химико-термической обработки порошков нитрида алюминия на структуру и свойства горячепресованной керамики на его основе // Высокотемпературные нитриды. Сб. науч. трудов АН Украины. – К.: ИПМ НАНУ, 1996. – С. 56-65.

Досліджувався вплив ВТО на тріщиностійкість та мікротвердість зразків нітриду алюмінію.

4.I. Trefilov, I. A. Morozov, A. I. Itsenko, E. A. Kuprianova, R. A. Mo-rozova, V. M. Panashenko Properties of hydrogen-capacious compounds and ceramic materials activated with hydrogen // Космічна наука і технологія. – 2000. – т. 6. № 4. – С. 35-36

Досліджувався вплив ВТО на механічні властивості нітрида алюмінія.

5. Трефилов В. И., Морозов И. А. Влияние водородотермической обработки на химический состав порошка нитрида алюминия // Порошковая металлургия. – 2003. – № 3/4. – С. 116-120.

Досліджувався вплив ВТО на хімічний склад нітриду алюмінію.

6. Деклараційний патент 54168А Україна, МКИ С 04 В 35/58. Спосіб обробки порошків нітриду алюмінію. Морозов І. А., Морозова Р. О., Дубо-вик Т. В. Та ін. (Україна); Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Фран-цевича НАНУ. – № 2002054377; Заявл. 28.05.2002; Опубл. 17.02.2003. Бюл. № 2.

Здобувачем розроблені та викладені основи ВТО.

7.I.I. A. Morozov, R. A. Morozova, S. V. Satanin, D. Z. Yur-chenko Effect of Hydrogen on improving purity of WC and AIN Powders // International Journal of Hydrogen Energy. – 1996. – v. 21. – № 11-12. – p. 1097-1099.

Досліджувався вплив ВТО на хімічний склад порошків нітриду алюмінію.

8. Трефилов В. И., Дубовик Т. В., Иценко А. И., Морозов И. А., Морозова Р. А. Влияние предварительной водородной обработки на свойства композиционного материала на основе порошков нитрида бора и алюминия // Тез. докл. IV Международной конференции "Водородное материаловедение и химия гидридов металлов" Кацивели, 2-8 сентября 1995. – С. 139.

Досліджувався вплив ВТО на температуру спікання композиційного матеріалу.

9. Дубовик Т. В., Цыганенко В. С., Морозов И. А., Долинская Л. П. Получение керамических материалов на основе нитрида алюминия методом активированного спекания и их исследование в условиях высокотемпера-турного нагрева // Тр. междунар. симпозиума “Передовые термические технологии и материалы” (22-26 сентября 1997 г., Кацивели). Москва, МГТУ им. А.Э. Баумана, 1999. – ч. 1. – С. 89-92.

Досліджувались процеси активації спікання нітриду алюмінію домішками Fe, Co, Ni.

10. Морозова Р. А., Морозов И. А., Иценко А. И., Олейник Г. C., Даниленко Н. В., Дубовик Т. В. Исследование влияния водородотермической обработки на структурное состояние порошков неметаллических нитридов // Тез. докл. VI Международной конференции "Водородное материаловедение и химия гидридов металлов" Кацивели, 2-8 сентября 1999. – С. 254-255.

Досліджувався вплив ВТО на структуру нітриду алюмінію.

11. Морозов И. А., Иванченко Л. А., Дубовик Т. В. ИК поглощение порошков нитрида алюминия до и после водородотермической обработки Морозов И. А., Иванченко Л. А., Дубовик Т. В. // Тез. докл. VI Между-народной конференции "Водородное материаловедение и химия гидридов металлов" Кацивели, 2-8 сентября 1999. – С. 388-389

Досліджувався вплив ВТО на спектри поглинання ІЧ випромінення.

12. Яковлева Д. С., Дубовик Т. В., Крушинська Л. А., Морозов І. А., Рогозинська А. О., Лаврів Л. В. Розробка композиційних носіїв каталізаторів на основі нітриду алюмінію для високотемпературних процесів // Тез. докл. Международной конференции "Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследование, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий" Кацивели, 18-22 сентября 2000. – С. 113.

Здобувач отримував нітрид алюмінію певних властивостей, використовуючи ВТО.

13. Морозова Р. А., Морозов И. А., Дубовик Т. В., Панашенко В. М., Иценко А. И., Даниленко Н. В. Влияние водородотермической обработки на процессы уплотнения и структурообразования нитридов при спекании // Тез. докл. VII Международной конференции "Водородное материаловедение и химия гидридов металлов" Кацивели, 16-22 сентября 2001. – С. 310-313.

Дослідження впливу ВТО на зеренну структуру нітриду алюмінію.

14. Морозова Р. А., Морозов И. А., Дубовик Т. В., Панашенко В. М., Иценко А. И., Даниленко Н. В. Исследование свойств порошков неметаллических нитридов после водородотермической обработки // Тез. докл. Международной конференции "Передовая керамика – третьему тысячелетию" Киев, 5-9 ноября 2001. – С. 48.

Здобувачем досліджувались зміни в морфології частинок порошку під дією ВТО.

АННОТАЦИЯ

Морозов И. А. Разработка технологии водородотермической обработки нитрида алюминия. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.01 – технология неорганических веществ. Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический інститут”, Киев, 2004.

Диссертация посвящена изучению влияния водородотермической обработки на порошки нитрида алюминия с целью получения изделий с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Исследовано влияние температурно-временных режимов водородо-термической обработки на химический состав порошков нитрида алюминия различной дисперсности, определены оптимальные технологические режимы водородотермической обработки – температура 1323 К, время выдержки 30 мин.

Физико-химическими методами исследованы структурные особенности обработанных порошков. Показано, что водородотермическая обработка уменьшает дефектность и микродеформацию частиц порошка, приводит к распушиванию агломератов и увеличивает относительное количество монокристаллических зерен в составе порошка.

Исследованы процессы уплотнения порошков нитрида алюминия при горячем прессовании и спекании. Установлено, что водородотермическая обработка активирует кинетику уплотнения, вследствие ускорения процессов массопереноса и собирательной рекристаллизации, что обусловлено меньшим количеством примесей и растворенным водородом в кристаллической решетке нитрида алюминия. Это позволяет снизить температуру горячего прессования или спекания на 100-200 и получить образцы с более высокими значениями плотности.

Показано, что водородотермическая обработка порошков нитрида алюминия улучшает физико-механические свойства горячепрессованых и спеченных материалов: трещиностойкость и микротвердость увеличиваются на 15-30%, прочность на 10-30%. При этом повышается электро-сопротивление и диэлектрические характеристики спеченных образцов.

По разработанным технологическим режимам из обработанного порошка нитрида алюминия была изготовлена опытная партия газоподводящих сопел для сварки неплавящимся электродом. Проведенные лабораторные испытания сопел на кафедре электросварочных установок Национального технического университета Украины “Киевский политехнический институт” и промышленные испытания на МЧП “ВИТ” показали, что сопла из нитрида алюминия эксплуатируются в среднем в четыре-пять раз дольше, чем сопла, изготовленные по традиционным технологиям. Это позволиляет рекомендовать их для промышленного производства.

Полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования водородотермической обработки для создания материалов с повышенными эксплуатационными свойствами.

Ключевые слова: нитрид алюминия, водород, водородотермическая обработка, горячее прессование, спекание, уплотнение, физико-механические свойства, структура.

АНОТАЦІЯ

Морозов І. А. Розробка технології водневотермічної обробки нітриду алюмінію. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.17.01 – технологія неорганічних речовин. Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2004.

Дисертація присвячена дослідженню впливу водневотермічної обробки (ВТО) на порошки нітриду алюмінію для одержання виробів з підвищеними експлуатаційними характеристиками. Вивчено вплив температури та часу водневотермічної обробки на хімічний склад порошків нітриду алюмінію різної дисперсності, розроблено оптимальні технологічні режими. Фізико-хімічними методами досліджено структурні особливості оброблених порошків та виробів з них. Показано, що застосування ВТО знижує температуру гарячого пресування або спікання на 100-200, підвищує тріщиностійкість, мікротвердість, електроопір, діелектричні характеристики. За розробленими технологіями з обробленого воднем дрібнодиспесного порошку AlN було виготовлено дослідну партію газопідвідних сопел для зварювання неплавким електродом в інертному газі (аргон). Проведені лабораторні дослідження сопел на кафедрі електрозварювальних установок Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” і промислові випробування на МПП “ВИТ” довели, що сопла із нітриду алюмінію експлуатуються в середньому в чотири-п’ять разів довше, ніж сопла, виготовлені за традиційними технологіями. Це дозволяє рекомендувати їх для промислового використання.

Ключові слова: нітрид алюмінію, водень, водневотермічна обробка, гаряче пресування, спікання, ущільнення, фізико-механічні властивості, структура.

ABSTRACT

Morozov I. A. Development of hydrogen-thermal treatment of aluminum nitride. – Manuscript.

An applicant thesis for scientific degree in technical science area, speciality 05.17.01 – Technology of non-organic substances. National Technical University of Ukraine “Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv 2004.

The thesis covers an influence of the hydrogen-thermal treatment (HTT) on powders of aluminum nitride in order to prepare products having increased functional characteristics. A study was made of the temperature and time effects on chemical properties of aluminum nitride powders differing in grain sizes, and production process conditions were optimized. Physical and mechanical techniques were used to investigate the structural features of treated powders and products. It was shown that the use of HTT 100-200 C reduces the temperature of hot pressing or sintering, improves the fracture resistance, microhardness, electric resistance and dielectric characteristics. The tests at National technical university “Kyiv politechnical institute” and welding plant “ВИТ” showed high operation characteristics of gas nozzles made of aluminum nitride for welding units, which allowed confirmation for their pilot application.

Key words: aluminum nitride, hydrogen, hydrogen-thermal treatment, hot pressing, sintering, compacting, physical-mechanical properties, structure.

СПД Купріянова О. О.

Свідоцтво про внесення до Державного реєстру

суб’єктів видавничої діяльності ДК № 315 від 24.01.2001 р.

м. Київ, вул. Шота Руставелі, 39/41, офіс 1702

Підп. до друку 10.12.2004. Формат 60-84/16

Ум.-друк.арк. 1,4. Обл.-вид.арк. 0,8. Наклад 100.

Замов. № 115-04