Легирлеу процесін ұйымдастыру және жүруі, дәріс

№ 13 дәріс. Легирлеу процесін ұйымдастыру және жүруі

Механикалық легирлеу негізінде қайталанатын бөлшектер аралық пісіру («суық пісіру») және шарлар беттігіне жақын жерде, олардың бірқалыпты күйге жеткенше, қарқынды соқтығысуы кезінде қатпарлану құбылыстары жатады.

Қалыпты күй бірдей дерлік бөлшектер мөлшерлерімен және жеке құрамдастары оптикалық шешімді болмайтын, композициялық бөлшектердің қаттылық орташа деңгейінің қанығуымен сипатталады.

Дисперсті оксидтермен беріктендірілген жүйелерде, оксидтер суық пісірумен пісірілген бөліну беттіктерінің ұзына бойлығында орналасады. Ұнтақтау шамасына қарай, дисперсоид концентрациясы пісірілген беттіктер бойлығында төмендейді, өйткені пісіру орындарының мөлшері артады және еркінше бола бастайды. Бірқалыпты күйлерде дисперсті фазаның бөлшектерінің бөлінуі оптималды бөлшектер аралық қашықтыққа сәйкес болуы керек. Жоғарыда сипатталған процесті қамтамасыз ету үшін, кем дегенде, құрамдастардың бірі жеткілікті илемді болуы керек және байланыстырғыш рөлін атқаруы қажет.

Механикалық легирлеу процесінің негізгі идеясы бақыланатын микроқұрылымды металдық ұнтақ алу болып табылады. Бұл идея шарлар мен ұнтақтар қоспасы көлемінде өтетін көп рет пісірілу мен бұзылу және ұнтақтың осы бөлшектері арқылы өтіп кеткен қайталама бұзылыс пен пісіру нәтижелерінде іске аса алады. Механикалық легирлеу процесі алғаш рет құрғақ жоғары энергетикалық шарлы диірмендерде жүргізілді. Механикалық легирлеу пісіру мен бұзылу процестерінің баланстық шартымен жүреді. Бұл жағдайда ұнтақ бөлшектерінің орташа мөлшері, диірмен жұмысының режимінің берілген параметрлерінде тұрақты болып қалады.

Төменгі энергетикалық диірмендерде кәдімгі механикалық ұнтақтау кезінде ұнтақ бөлшектерінің орташа мөлшерлерінің азаюы өтеді. Төменгі энергетикалық диірмендерде пісірудің бәсекелесті процесіде солай өтеді, бірақ көбінесе ол ұнтақтау кезінде қолданылатын, сұйықтармен немесе  беттік-активті заттармен ингибирленеді. Суық пісірудің әсері ұнтақ бөлшектерінің мөлшері бір микрометрге жеткенге дейін байқалмай қала береді. Ары қарай өңдеу кезінде, ол жылдам жоғарылай бастайды, оны беттік-активті заттарды қолданумен ылғалды ұнтақтаудың төменгі энергетикалық диірмендерінде ұнтақтардың терең ұнтақталу мүмкіндігінің шегі анықтайды.

Механикалық легирлеуді табысты жүргізу үшін, бәсекелесті процестер суық пісіру мен ұнтақ бөлшектерінің бұзылуы арасындағы тепе-теңдіктің белгілі бір деңгейін сақтау қажет. Қорытпаның күрделілігіне байланысты, сәйкес тепе-теңдікті орнықтыру үшін механикалық легирлеу процесі шартының қандайда бір жетілдірілуі талап етілуі мүмкіндікті. Мысалы, темір-хром жүйесінде легирлеу айтарлықтай қиындықсыз өтеді, дегенмен басқа жүйелерде механикалық легирлеу процесінің қанағаттанарлықтай параметрлерін табу соншалықты жеңіл емес. Бұл мақсат үшін, ең болмағанда, екі әдісті әрекеттендіруге болады, олар суық пісіру процесінің әсерін төмендетеді және бұзылу процесінің әсерін арттырады.

Бірінші әдіс суық пісіру процесін бақылайтын ыңғайлы агентті қосумен деформацияланатын бөлшектердің беттігін модификациялаудан тұрады. Дегенмен, суық пісіру үшін қажетті металл беттіктері арасындағы жанасу қиындайды. Мысалы, Al-Аl₂O₃ дисперсті-беріктендірілген қорытпаларын алу органикалық агентті қолдануды талап етеді, ол металдық ұнтақ бөлшектерінің беттіктерін модификациялау көмегімен суық пісірудің қарқындылығын төмендетеді.

Екінші әдіс ұнтақ бөлшектерінің деформациялануының белгілі бір режимін таңдаумен қорытындыланады. Бұл режимде, бөлшектердің жалпаюы мен ары қарай «суық» пісірудің өткеніне дейін бұзылудың өтіп кетуі талап етіледі. Шарттың мұндай талабы орындалады, мысалы, материалдың крио­генді ұнтақталуы кезінде.Мысалы, қорғасын бөлме температураларында жоғары соғылуға және тұтқырлыққа ие болады, осы жағдайлардағы оның механикалық легирленуі мүмкіндіксіз болады. Диірмен камерасының 77 К дейін суытылуы қорғасын ұнтағы бөлшектерінің морттығын арттырады және легирлеу процесін жүргізуге мүмкіндік береді.

Механикалық легирлеу процесінің ұзақтығы бірнеше сағаттардан көптеген жүздеген сағаттарға дейін созылуы мүмкін, бұл легирленетін жүйеге, алынатын өнімдерге қойылатын талаптарға, процесті бақылайтын қолданылатын агентке, материалға келтірілген энергияға, жабдықтардың типтері мен түрлеріне тәуелді болады. Ұнтақты бөлшектердің бастапқы мөлшерлері механикалық легирлеу процесінің табиғаты салдарынан легирлеу ұзақтығына айтарлықтай әсер ете қоймайды.

Механикалық легирлеу ұнтақтардың бастапқы компоненттерін кәдімгідей араластырудан басталады, олардың мөлшерлері 1-ден 500 мкм дейін ауытқиды. Ұнтақты қоспа, алынатын өнімге қойылатын талаптарға тәуелді, екі немесе оданда көп компоненттерден тұра алады.

Бастапқы металдық ұнтақтар кез-келген пішінде бола алады, конденсаттау кезінде алынған ұнтақтарды (мысалы, карбонильді никель), электршөгілдірілген ұнтақтар, газ- және субүркілгендер, элементарлы немесе алдын ала балқытылған ұнтақтар, сонымен қатар ұнтақтау жолымен алынғандар және т.б. қоса отырып. Легирлеуші қосымшалар, қойылған мақсатқа байланысты, оксидті және интерметаллидті ұнтақтар, әртүрлі текті лигатуралар немесе таза металдар бола алады.

Механикалық легирлеу процесінде процеске қатысатын бөлшектердің барлық көлемінің мөлшерлеріне біршама әсер тигізіледі. Матрица материалының деформациялану кезінде таза ішкі қабаттар ашылады, ал көрші бөлшектердің таза қабаттары тығыз жанасуға түседі, бұл суық пісіру процесінің бастауын негіздейді. Бөлшектердің суық пісірілуі мен бұзылуы процестерінің көп рет қайталануы көп қабатты құрылымды бөлшектердің пайда болуына келтіреді. Бастапқы компоненттер, гомогенді қоспалар түзей отырып, қабаттар ішінде бірқалыпты таралады. Мортты компоненттер қоспаның соққыға қабілетті құрамаларымен қапталады және композицияға қатар түзейді. Суық пісірілу мен бұзылу процестері паралель жүреді және өзара бәсекелесте болады, соның нәтижесінде композитті бөлшектердің ішкі құрылымы эффективті араласады және жұқа гомогенді құрылым пайда болады.

Осы уақытта, шарлар беттігі мен диірменнің ішкі қабырғаларын өңделетін материалдың бөлшектерінің өзара пісірілген қабатымен плакирлеумен жүретін басқада процесс жүреді. Шарлар мен қабырғалардың қапталуының бар немесе жоқ екені легирленетін жүйенің нақты қасиеттерімен және легирлеу процесін бақылаушы, қолданылатын агенттің типімен анықталады. Жалпы шарларды жабатын материал массасы, ұнтақтардың өңделетін қоспасы массасының 3-4 масс. % құрайды. Шарлардың және диірменнің ішкі қабырғасының плакирленуі шарлар мен қабырғалардың күйіне жақсы әсер етеді, олардың жылдам тозуын болдымайды. Плакирлеуші қабат қалыңдықтың белгілі бір деңгейінен асып кетпеуі үшін және тұрақты түрде өңделетін қоспамен динамикалық алмасуда болуы үшін легирлеу жағдайын реттестіріп отыру керек. Егер бұл шарт орындалмаса, онда легирленуші ұнтақ бөлшектеріндегі гомогендік бұзылады. Ұнтақтардың ұоспасын өңдеудің бастапқы сатыларында бастапқы компоненттерден тұратын, қабатты композициятүзіледі. Бұл кезеңде композиттік бөлшектердің мөлшерлері бірнеше микрометрден жүздеген микрометрлерге жетеді. Металлографиялық талдау кезінде легирлеудің бастапқы кезеңдерінде, композиттік бөлшектермен қатар, пісіру процесіне түспеген, бастапқы бөлшектердің фрагменттері байқалады. Бастапқы құрамалар композиттік бөлшектер ішіндеде бірыңғайлыққа келуін жалғастырады. Дисперсоидтардың жалпы тәртібі бөлшектердің бүкіл көлемінің тәртібіне ұқсас, бірақ бұл кезде өздік ерекшеліктерде болады, атап айтқанда, дисперсоид бөлшектері пісірілген қабаттарға жақын матрица бөлшектерінің беттігіне орналасуға ұмтылады. Композиттік бөлшектердің хими­ялық құрамы, легирлеудің осы этапында, әлдеде көлемі және бөлшектерінің беттігі бойынша бірқалыпқа түспеген.

Бөлшектердің пісірілуі мен бұзылуы процестерінің қайталанып отыратындығынан көп қабатты құрылымды бөлшектер пайда болады. Бастапқы компоненттер гомогендік қоспа түзей отырып, қабаттар ішінде бірқалыпты таралады. Мортты компоненттер қоспаның соғылуға қабілетті құрамдастарымен жабындалады және композициялық қатар түзейді. Суық пісірілу мен бұзылу процестері паралель жүреді және өзара бәсекелесте болады, соның нәтижесінде композитті бөлшектердің ішкі құрылымы тиімді араласады және жұқа гомогенді құрылым пайда болады.

Механикалық легирлеу процесінің соңғы сатысында материалдың гомогенді қабаттары жұқарады және әртүрлі бұратылған ағындар түрінде болады. Әрбір жеке бөлшектердің құрамы бастапқы ұнтақты қоспаның құрамына ұмтылады. Бөлшектердегі гомогендік қабаттардың қалыңдығы микрометрдің үлесін құрайды және көбінесе енгізілген дисперсоидтың мөлшерлерімен анықталады. Дегенмен, құрамның біртектілігінің жоғары дәрежесіне қарамастан, бөлшектерде әлдеде микроаймақтар қалады, оларда жеке металдық компонеттерді немесе интерметаллидтік қосылыстарды бірыңғайлыққа келтіруге болады. Бұл сатыда тепе-теңдікті фазалардың пайда болу мүмкіндігі бар. Дербес бөлшектердің микроқаттылығы қанығу деңгейіне жетеді. Механикалық дегирлеу кезіндегі біршама илемді деформация ұнтақтардың қаттылығын жоғарылатады. Мысалы, Ni₃Sn ұнтағының микроқаттылығы 7400 МПа жетеді, темір-хромды қорытпалардың микроқаттылығы – 6400 МПа. Механикалық дегирленген материалдың микроқаттылығы қанығуға дейін сызықтық заңға сәйкес өсіп отырады, одан соң материалдың қатаюы мен жұмсаруы жұмыстарының арасында тепе-теңдік орнығады. Микроқаттылықтың уақытқа тәуелді қисығында қанығуға жету легирлеу процесінің аяқталуға жақындығын көрсететін көрсеткіштерінің бірі болып табылады.

Процестің аяқталу кезеңінде ұнтақ бөлшектерін механикалық легирлеу өте күшті деформацияланған метастабильді құрылымға ие болады. Өңдеудің осы сатысында материал, заң бойынша, оптикалық біртекті болады. Дисперсті қосылыстардың арасындағы қашықтық жуық шамамен қабаттардың пісірілу орындарының арасындағы қашықтыққа сәйкес келеді. Қабаттардың пісірілу орындарының арасындағы максимал дистанция ~1 мкм тең болады. Бұл ди­станция, материалдың бүкіл көлемі бойынша оның бірқалыпты таралуын болжайтын, бастапқы қоспаға кіретін, дисперсоидтың мөлшері мен санына сәйкес есептелген дисперсоидтың бөлшектері арасындағы қашықтықпен жақсы корреляцияланады. Жабдықтардың берілген сипаттамасы кезінде, өңдеуді ары қарай жалғастыру, материалдың гомогендену дәрежесіне әсер ете алмайды.

Әдебиет: 3 нег. [16-26]; 2 қос. [122-135].

Бақылау сұрақтары:

1. Механикалық легирлеуді жүргізу үшін қандай процестердің балансы қажет?
2. Легирлеу процесінің ұзақтығы неге тәуелді болады?
3. Бастапқы материалдар мөлшерінің процестің тиімділігіне әсері.
4. Легирлеу процесінде ұнтақ құрылымының өзгеруі.
5. Механикалық легирлеудің соңғы сатысы туралы айтып беріңіз.
6. Механикалық легирлеуге арналған бастапқы материалдарға қойылатын талаптар.