RU2485196C1

RU2485196C1 - Method for obtaining products from composite materials with nano-sized strengthening particles

Info

Publication number: RU2485196C1
Application number: RU2012112325A
Authority: RU
Inventors: Владимир Алексеевич Попов
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-06-20

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: composite material granules are obtained by mechanical alloying of the mixture containing matrix material particles and 0.1-50 vol. % of strengthening nanoparticles with the size of 0.7-100 nm, during the period of time determined as per empiric formula

where t is time expressed in minutes; A is nondimensional value, which is equal to volume fraction of strengthening particles in percents; B is nondimensional value, which is equal to average size of strengthening nanoparticles in nanometres; K is coefficient equal to (0.2÷2.0) min. Obtained granules are arranged in a mould, heated to partial or complete meting of granules, and semi-liquid or liquid forming is performed.

EFFECT: composite has high mechanical and operating properties.

15 cl, 5 ex

Description

Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно к способам получения изделий из композиционных материалов с металлической матрицей и наноразмерными упрочняющими частицами (наноразмерными компонентами).The invention relates to the field of nanotechnology, and in particular to methods for producing products from composite materials with a metal matrix and nanoscale reinforcing particles (nanoscale components).

Известен способ получения металломатричных композитов и изделий из них, включающий замешивание упрочняющих частиц в расплавленом металле (Modling O.T. and Grong ⌀. Processing and Properties of Particle Reinforced Al-SiC MMCs. "Key Engineering Materials", Vols. 104-107 (1995) pp.329-354). Однако этот способ не позволяет получать композит с малым размером частиц.A known method for producing metal-matrix composites and products from them, including kneading hardening particles in the molten metal (Modling OT and Grong Processing. Processing and Properties of Particle Reinforced Al-SiC MMCs. "Key Engineering Materials", Vols. 104-107 (1995) pp .329-354). However, this method does not allow to obtain a composite with a small particle size.

Наиболее близкое техническое решение представлено в описании патента РФ 2014166 (B22D 18/02) «Устройство для полужидкой штамповки металла» (опубл. 15.06.1994) и содержит формирование изделия в жидком или полужидком состоянии из порошкообразного материала в специальных формах под давлением. Однако простое применение смеси порошкообразных компонентов композита с наноразмерными упрочняющими частицами не приведет к созданию композиционного материала с отдельнолежащими равномернораспределенными упрочняющими наночастцами, так как в исходном состоянии они находятся в агломерированном сотоянии.The closest technical solution is presented in the description of the patent of the Russian Federation 2014166 (B22D 18/02) “Device for semi-liquid metal stamping” (publ. 06/15/1994) and contains the formation of the product in a liquid or semi-liquid state from a powder material in special forms under pressure. However, the simple use of a mixture of the powdered components of the composite with nanoscale reinforcing particles will not lead to the creation of a composite material with separately lying uniformly distributed reinforcing nanoparticles, since in the initial state they are in agglomerated state.

Задачей изобретения является повышение механических и эксплуатационных свойств изделий машиностроения из композиционных материалов за счет устранения агломерации наночастиц и достижения равномерного распределения отдельнолежащих упрочняющих наночастиц в матрице.The objective of the invention is to increase the mechanical and operational properties of engineering products from composite materials by eliminating the agglomeration of nanoparticles and achieve a uniform distribution of separately lying reinforcing nanoparticles in the matrix.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения изделий из композиционных материалов с наноразмерными упрочняющими частицами, включающем формирование изделия в жидком или полужидком состоянии из порошкообразного материала в специальных формах под давлением, в качестве порошкообразного материала применяют гранулы композиционного материала с металлической матрицей и с наноразмерными упрочняющими частицами, которые получают методом механического легирования из исходных частиц матричного материала и порошков упрочняющих наночастиц при длительности обработки, определяемой по эмпирической формулеThe problem is achieved in that in the method for producing products from composite materials with nanoscale reinforcing particles, including forming the product in a liquid or semi-liquid state from a powder material in special forms under pressure, granules of a composite material with a metal matrix and with nanoscale reinforcing are used as a powder material particles that are obtained by mechanical alloying of the starting particles of the matrix material and powders by hardening their nanoparticles with a processing time determined by the empirical formula

,

где t - время в минутах;where t is the time in minutes;

А - безразмерная величина, по величине равная объемной доле упрочняющих частиц в процентах;A is a dimensionless quantity equal in magnitude to the volume fraction of reinforcing particles in percent;

В - безразмерная величина, по величине равная среднему размеру упрочняющих наночастиц в нанометрах;B is a dimensionless quantity equal in magnitude to the average size of the strengthening nanoparticles in nanometers;

К - коэффициент, равный (0,2÷2,0) мин,K - coefficient equal to (0.2 ÷ 2.0) min,

при этом объемная доля упрочняющих частиц составляет от 0,1% до 50%, а размер упрочняющих наночастиц равен от 0,7 нм до 100 нм.wherein the volume fraction of the reinforcing particles is from 0.1% to 50%, and the size of the reinforcing nanoparticles is from 0.7 nm to 100 nm.

Поставленная задача может также достигаться тем, что в способе получения изделий из композиционных материалов с наноразмерными упрочняющими частицами возможно в качестве упрочняющих наночастиц применять углеродные нанотрубки.The task can also be achieved by the fact that in the method of producing products from composite materials with nanoscale reinforcing particles, it is possible to use carbon nanotubes as reinforcing nanoparticles.

Поставленная задача может также достигаться тем, что в способе получения изделий из композиционных материалов с наноразмерными упрочняющими частицами возможно в качестве упрочняющих наночастиц применять фуллерены.The task can also be achieved by the fact that in the method of producing products from composite materials with nanoscale reinforcing particles it is possible to use fullerenes as reinforcing nanoparticles.

Поставленная задача может также достигаться тем, что в способе получения изделий из композиционных материалов с наноразмерными упрочняющими частицами возможно в качестве упрочняющих наночастиц применять углеродный материал, состоящий из графенов.The task can also be achieved by the fact that in the method of producing products from composite materials with nanoscale reinforcing particles, it is possible to use carbon material consisting of graphenes as reinforcing nanoparticles.

Поставленная задача может также достигаться тем, что в способе получения изделий из композиционных материалов с наноразмерными упрочняющими частицами возможно в качестве упрочняющих наночастиц применять луковичнообразные углеродные наночастицы.The task can also be achieved by the fact that in the method of producing products from composite materials with nanoscale reinforcing particles, it is possible to use onion-shaped carbon nanoparticles as reinforcing nanoparticles.

Поставленная задача может также достигаться тем, что в способе получения изделий из композиционных материалов с наноразмерными упрочняющими частицами возможно в качестве упрочняющих наночастиц применять наноалмазы.The task can also be achieved by the fact that in the method of producing products from composite materials with nanoscale reinforcing particles it is possible to use nanodiamonds as reinforcing nanoparticles.

Поставленная задача может также достигаться тем, что в способе получения изделий из композиционных материалов с наноразмерными упрочняющими частицами возможно в качестве упрочняющих наночастиц применять комбинацию углеродных нанотрубок и наноалмазов при содержании наноалмазов 5-50% от общей объемной доли упрочняющих частиц.The task can also be achieved by the fact that in the method of producing products from composite materials with nanoscale reinforcing particles, it is possible to use a combination of carbon nanotubes and nanodiamonds as reinforcing nanoparticles with a content of nanodiamonds of 5-50% of the total volume fraction of reinforcing particles.

Поставленная задача может также достигаться тем, что в способе получения изделий из композиционных материалов с наноразмерными упрочняющими частицами возможно в качестве упрочняющих наночастиц применять комбинацию фуллеренов и наноалмазов при содержании наноалмазов 5-50% от общей объемной доли упрочняющих частиц.The task can also be achieved by the fact that in the method of producing products from composite materials with nanoscale reinforcing particles, it is possible to use a combination of fullerenes and nanodiamonds as reinforcing nanoparticles with a content of nanodiamonds of 5-50% of the total volume fraction of reinforcing particles.

Поставленная задача может также достигаться тем, что в способе получения изделий из композиционных материалов с наноразмерными упрочняющими частицами возможно в качестве упрочняющих наночастиц применять комбинацию луковичнообразных углеродных наночастиц и наноалмазов при содержании наноалмазов 5-50% от общей объемной доли упрочняющих частиц.The task can also be achieved by the fact that in the method for producing products from composite materials with nanoscale reinforcing particles, it is possible to use a combination of onion-shaped carbon nanoparticles and nanodiamonds with the content of nanodiamonds 5-50% of the total volume fraction of reinforcing particles as reinforcing nanoparticles.

Поставленная задача может также достигаться тем, что в способе получения изделий из композиционных материалов с наноразмерными упрочняющими частицами возможно в качестве упрочняющих наночастиц применять комбинацию графенов и наноалмазов при содержании наноалмазов 5-50% от общей объемной доли упрочняющих частиц.The task can also be achieved by the fact that in the method of producing products from composite materials with nanoscale reinforcing particles, it is possible to use a combination of graphenes and nanodiamonds as reinforcing nanoparticles with a content of nanodiamonds of 5-50% of the total volume fraction of reinforcing particles.

Поставленная задача может также достигаться тем, что в способе получения изделий из композиционных материалов с наноразмерными упрочняющими частицами возможно при определении длительности обработки применять коэфициент 0,2÷0,5, а для матричного материала дополнительно применяют как минимум еще один вид металла или сплава.The task can also be achieved by the fact that in the method of producing products from composite materials with nanoscale reinforcing particles, it is possible to use a coefficient of 0.2 ÷ 0.5 when determining the processing time, and at least one more type of metal or alloy is additionally used for the matrix material.

Поставленная задача может также достигаться тем, что в способе получения изделий из композиционных материалов с наноразмерными упрочняющими частицами возможно после проведения механического легирования в течение (0,2-0,7) времени необходимой обработки осуществлять термическую обработку гранул пропусканием гранул между двумя керамическими нагретыми до 200-600°C плитами в инертной атмосфере.The task can also be achieved by the fact that in the method of producing products from composite materials with nanoscale reinforcing particles, it is possible, after mechanical alloying, to process the granules by passing granules between two ceramic heated up to 200, after (0.2-0.7) time of necessary processing -600 ° C cookers in an inert atmosphere.

Поставленная задача может также достигаться тем, что в способе получения изделий из композиционных материалов с наноразмерными упрочняющими частицами возможно наноалмазы перед механическим легированием отжигать при температуре 400-950°C в вакууме или в инертной атмосфере в течение 1 часа.The task can also be achieved by the fact that in the method of producing products from composite materials with nanoscale reinforcing particles, it is possible to anneal nanodiamonds before mechanical alloying at a temperature of 400-950 ° C in vacuum or in an inert atmosphere for 1 hour.

Поставленная задача может также достигаться тем, что в способе получения изделий из композиционных материалов с наноразмерными упрочняющими частицами возможно отжиг наноалмазов осуществлять в танталовых контейнерах.The task can also be achieved by the fact that in the method of producing products from composite materials with nanoscale reinforcing particles, it is possible to anneal nanodiamonds in tantalum containers.

Поставленная задача может также достигаться тем, что в способе получения изделий из композиционных материалов с наноразмерными упрочняющими частицами возможно отжиг наноалмазов осуществлять в графитовых тигляхThe problem can also be achieved by the fact that in the method of producing products from composite materials with nanoscale reinforcing particles, it is possible to anneal nanodiamonds in graphite crucibles

Способ получения изделий из композиционных материалов с наноразмерными упрочняющими частицами, включающий формирование изделия в жидком или полужидком состоянии из порошкообразного материала в специальных формах под давлением, отличается тем, что в качестве порошкообразного материала применяют гранулы композиционного материала с металлической матрицей и с наноразмерными упрочняющими частицами, которые получают методом механического легирования из исходных частиц матричного материала и порошков упрочняющих наночастиц при длительности обработки, определяемой по эмпирической формулеThe method of producing articles from composite materials with nanoscale reinforcing particles, including forming the article in a liquid or semi-liquid state from a powder material in special forms under pressure, characterized in that granules of a composite material with a metal matrix and with nanoscale reinforcing particles are used as a powder material obtained by mechanical alloying from the starting particles of the matrix material and powders of reinforcing nanoparticles for a long time empirical formula

,

где t время в минутах;where t is the time in minutes;

Наночастицы всегда объединены в агломераты. Если в матрице композиционного материала разместить агломерат наночастиц, то такой материал не будет обладать высокими механическими свойствами, так как связи между наночастицами внутри агломерата не являются чрезвычайно прочными, и под воздейтсвием нагрузок агломерат разрушается. На месте агломерата образуется дефект, который будет являться концентратором напряжений, что приведет к разрушению материала. Для обеспечения высокого уровня механических характеристик необходимо добиться состояния структуры, когда в матрице находятся отдельные наночастицы, не связанные в агломераты, причем эти отдельнолежащие наночастицы должны быть равномерно распределены в матрице. Для достижения такого состояния структуры в способе применено механическое легирование. В результате механического легирования исходных компонентов (например, в планетарной мельнице или в аттриторе) получаются композиционные гранулы, в которых наноразмерные упрочняющие частицы не объединены в агломераты, а равномерно распределены в матрице отдельно друг от друга. Такие гранулы гранулы размещают в специальной форме, подогревают (подогрев возможно осуществлять и в процессе подачи гранул), доводя до частично жидкого (частично расплавленного) или жидкого (расплавленного) состояния, и под давлением формируют изделие. После затвердевания (кристаллизации) структура изделия представляет собой матрицу с равномернораспределенными отдельнолежащими упрочняющими наночастицами. Наночастицы и материал матрицы можно применять различные. Экспериментально установлено, что увеличение объемной доли упрочняющих наночастиц приводит к необходимости увеличивать время обработки при механическом легировании и снижение среднего размера упрочняющих наночастиц также приводит к необходимости увеличить время обработки. Для определения времени обработки при механическом легировании предложена формулаNanoparticles are always combined into agglomerates. If an agglomerate of nanoparticles is placed in the matrix of a composite material, then such a material will not have high mechanical properties, since the bonds between nanoparticles inside the agglomerate are not extremely strong, and under the influence of loads the agglomerate is destroyed. A defect is formed at the site of the sinter, which will be a stress concentrator, which will lead to the destruction of the material. To ensure a high level of mechanical characteristics, it is necessary to achieve a state of the structure when there are individual nanoparticles in the matrix that are not bound into agglomerates, and these separately lying nanoparticles must be uniformly distributed in the matrix. To achieve this state of the structure, the method uses mechanical alloying. As a result of mechanical alloying of the starting components (for example, in a planetary mill or in an attritor), composite granules are obtained in which nanosized strengthening particles are not combined into agglomerates, but are uniformly distributed separately from each other in the matrix. Such granules granules are placed in a special form, heated (heating can also be carried out in the process of feeding the granules), bringing to a partially liquid (partially molten) or liquid (molten) state, and form a product under pressure. After solidification (crystallization), the structure of the product is a matrix with uniformly distributed separately lying reinforcing nanoparticles. Nanoparticles and matrix material can be used differently. It was experimentally established that an increase in the volume fraction of reinforcing nanoparticles leads to the need to increase the processing time during mechanical alloying and a decrease in the average size of the reinforcing nanoparticles also leads to the need to increase the processing time. To determine the processing time for mechanical alloying, the formula

,

где t время в минутах;where t is the time in minutes;

К - коэффициент, равный (0,2÷2,0) мин.K - coefficient equal to (0.2 ÷ 2.0) min.

Коэффициент К введен для учета различия оборудования для механического легирования. Коэффициент К определяется также свойствами конкретной системы композита «матрица - упрочняющая частица». Данная формула позволяет вести расчеты для объемных долей упрочняющих частиц от 0,1% до 50%, и размера упрочняющих наночастиц от 0,7 нм до 100 нм. Именно эти пределы и рекомендованы для предлагаемого способа. Наличие упрочняющих частиц менее 0,1% перестает практически влиять на свойства материала, а превышение объемной доли упрочняющих частиц более 50% приведет к затруднению разбиения агломератов, то есть цель не будет достигнута. Для способа возможно применять весь спектр размеров наночастиц: 0,7 нм - это размер фулерена, а 100 нм - это общепринятые максимальные размеры нанообъектов.Coefficient K is introduced to account for differences in equipment for mechanical alloying. The coefficient K is also determined by the properties of a particular composite system "matrix - strengthening particle". This formula allows us to carry out calculations for volume fractions of reinforcing particles from 0.1% to 50%, and the size of reinforcing nanoparticles from 0.7 nm to 100 nm. It is these limits that are recommended for the proposed method. The presence of hardening particles of less than 0.1% ceases to practically affect the properties of the material, and exceeding the volume fraction of hardening particles of more than 50% will make it difficult to break agglomerates, that is, the goal will not be achieved. For the method, it is possible to use the whole range of nanoparticle sizes: 0.7 nm is the size of fullerene, and 100 nm is the generally accepted maximum size of nano-objects.

В способе возможно применять различные (с точки зрения материала) упрочняющие частицы. Однако отдельно оговорена возможность применения углеродных материалов. Так, возможно в качестве упрочняющих наночастиц применять углеродные нанотрубки. Длительное время считалось, что углеродные нанотрубки при механическом легировании разрушаются. Однако последние исследования показали, что разрушению подвергаются только дефектные нанотрубки. При оптимальных режимах синтеза углеродных нанотрубок дефектных нанотрубок практически нет и при механическом легировании они не разрушаются, хорошо внедряются в металлическую матрицу и эффективно ее упрочняют. Поэтому для предлагаемого способа получения изделий из композиционного материала с наноразмерными упрочняющими частицами этот вид упрочняющих частиц является эффективным.In the method it is possible to use various (from the point of view of the material) reinforcing particles. However, the possibility of using carbon materials is separately specified. So, it is possible to use carbon nanotubes as strengthening nanoparticles. For a long time, it was believed that carbon nanotubes are destroyed by mechanical alloying. However, recent studies have shown that only defective nanotubes undergo destruction. Under optimal conditions for the synthesis of carbon nanotubes, there are practically no defective nanotubes and, when mechanically alloyed, they do not collapse, they are well embedded in the metal matrix and strengthen it effectively. Therefore, for the proposed method for producing products from a composite material with nanoscale reinforcing particles, this type of reinforcing particles is effective.

В способе возможно в качестве упрочняющих наночастиц применять фуллерены. Применение фуллеренов для данного способа предпочтительно по нескольким причинам. Для эффективного упрочнения матрицы достаточно небольшого количества фуллеренов. Методом механического легирования возможно равномерно распределить фуллерены в матрице. Реологические свойства такого композита будут высокими, поэтому это позволит получить изделия с высоким уровнем механических свойств при применении данного способа.In the method it is possible to use fullerenes as strengthening nanoparticles. The use of fullerenes for this method is preferable for several reasons. For effective matrix hardening, a small amount of fullerenes is sufficient. Using mechanical alloying, it is possible to evenly distribute fullerenes in the matrix. The rheological properties of such a composite will be high, so this will allow to obtain products with a high level of mechanical properties when using this method.

В способе возможно в качестве упрочняющих наночастиц применять углеродный материал, состоящий из графенов. Графены являются также эффективным материалом для упрочнения матрицы. Проблема состоит в их равномерном распределении в матрице. Механическое легирование позволяет равномерно распределить графены в матрице, что приводит к высокому уровню механических свойств изделий при применении данного способа.In the method, it is possible to use a carbon material consisting of graphenes as strengthening nanoparticles. Graphenes are also an effective material for matrix hardening. The problem is their uniform distribution in the matrix. Mechanical alloying allows you to evenly distribute graphenes in the matrix, which leads to a high level of mechanical properties of the products when using this method.

В способе возможно в качестве упрочняющих наночастиц применять луковичнообразные углеродные наночастицы. Возможно получать такой композиционный материал двумя путями. Для композиционных материалов, температура плавления матрицы которых превышает 1000°C, можно вначале получить гранулы композиционного материала с наноалмазными упрочняющими частицами, равномернораспределенными в матрице; а затем в процессе жидкого или полужидкого состояния произойдет трансформация наноалмазов в луковичнообразные углеродные наночастицы. Для композиционных материалов, температура плавления которых менее 1000°C, следует осуществлять механическое легирование уже с луковичнообразными углеродными наночастицами. При этом возможно разрушение некоторой части частиц с образованием наночастиц, похожих на графены.In the method, it is possible to use onion-like carbon nanoparticles as strengthening nanoparticles. It is possible to obtain such a composite material in two ways. For composite materials whose matrix melting point exceeds 1000 ° C, it is possible to first obtain granules of a composite material with nanodiamond strengthening particles uniformly distributed in the matrix; and then, in the process of a liquid or semi-liquid state, nanodiamonds will transform into onion-like carbon nanoparticles. For composite materials whose melting point is less than 1000 ° C, mechanical alloying should already be carried out with onion-like carbon nanoparticles. In this case, a certain part of the particles can be destroyed with the formation of nanoparticles similar to graphenes.

В способе в качестве упрочняющих наночастиц применять наноалмазы. Наноалмазы являются чрезвычайно эффективным материалом для упрочнения матрицы. В данном способе его применяют для матриц, температура плавления которых не превышает 1000°C (в противном случае наноалмазы могут трансформироваться в луковичнообразные углеродные наночастицы). Механическое легирование эффективно разбивает агломераты наноалмазов, и наноалмазы равномерно распределяются в матрице. Способ, при котором происходит кратковременное подплавление или кратковременное расплавление матрицы, позволяет после затвердевания (кристаллизации) под давлением получить высокую прочность материала в изделии. Перераспределения наночастиц в матрице при этом не происходит вследствие чрезвычайно малого времени нахождения материала в полурасплавленном или расплавленном состоянии.In the method, nanodiamonds are used as strengthening nanoparticles. Nanodiamonds are an extremely effective material for matrix hardening. In this method, it is used for matrices whose melting point does not exceed 1000 ° C (otherwise, nanodiamonds can transform into onion-like carbon nanoparticles). Mechanical alloying effectively breaks down agglomerates of nanodiamonds, and nanodiamonds are evenly distributed in the matrix. The method in which there is a short-term melting or short-term melting of the matrix, after hardening (crystallization) under pressure to obtain high strength material in the product. The redistribution of nanoparticles in the matrix does not occur due to the extremely short residence time of the material in a semi-molten or molten state.

В способе возможно в качестве упрочняющих наночастиц применять комбинацию углеродных нанотрубок и наноалмазов при содержании наноалмазов 5-50% от общей объемной доли упрочняющих частиц. Выше уже говорилось об эффективности применения углеродных нанотрубок для упрочнения металлической матрицы. Однако возможно увеличить эффективность механического легирования металлов в смеси с углеродными нанотрубками. Экспериментально доказано, что добавление некоторого количества наноалмазов значительно интенсифицирует процессы механического легирования. Однако эффект практически незаметен, если наноалмазов меньше чем 5% от общей объемной доли упрочняющих частиц. При увеличении содержания наноалмазов более 50% от общей доли упрочняющих частиц эффект упрочнения от наноалмазов превышает эффект упрочнения от углеродных нанотрубок и может снизить реологические свойства материала.In the method, it is possible to use a combination of carbon nanotubes and nanodiamonds as reinforcing nanoparticles with a content of nanodiamonds of 5-50% of the total volume fraction of reinforcing particles. We have already mentioned the efficiency of using carbon nanotubes for hardening a metal matrix. However, it is possible to increase the efficiency of mechanical alloying of metals mixed with carbon nanotubes. It has been experimentally proved that the addition of a certain amount of nanodiamonds significantly intensifies the processes of mechanical alloying. However, the effect is almost imperceptible if nanodiamonds are less than 5% of the total volume fraction of hardening particles. With an increase in the content of nanodiamonds more than 50% of the total fraction of hardening particles, the effect of hardening from nanodiamonds exceeds the effect of hardening from carbon nanotubes and can reduce the rheological properties of the material.

В способе возможно в качестве упрочняющих наночастиц применять комбинацию фуллеренов и наноалмазов при содержании наноалмазов 5-50% от общей объемной доли упрочняющих частиц. Выше уже говорилось об эффективности применения фуллеренов для упрочнения металлической матрицы. Однако возможно увеличить эффективность механического легирования металлов в смеси с фуллеренами. Экспериментально доказано, что добавление некоторого количества наноалмазов значительно интенсифицирует процессы механического легирования. Однако эффект практически незаметен, если наноалмазов меньше чем 5% от общей объемной доли упрочняющих частиц. При увеличении содержания наноалмазов более 50% от общей доли упрочняющих частиц эффект упрочнения от наноалмазов превышает эффект упрочнения от фуллеренов и может снизить реологические свойства материала.In the method, it is possible to use a combination of fullerenes and nanodiamonds as strengthening nanoparticles with a content of nanodiamonds of 5-50% of the total volume fraction of strengthening particles. We have already mentioned the effectiveness of using fullerenes for hardening a metal matrix. However, it is possible to increase the efficiency of mechanical alloying of metals in a mixture with fullerenes. It has been experimentally proved that the addition of a certain amount of nanodiamonds significantly intensifies the processes of mechanical alloying. However, the effect is almost imperceptible if nanodiamonds are less than 5% of the total volume fraction of hardening particles. With an increase in the content of nanodiamonds more than 50% of the total fraction of hardening particles, the effect of hardening from nanodiamonds exceeds the effect of hardening from fullerenes and can reduce the rheological properties of the material.

В способе возможно в качестве упрочняющих наночастиц применять комбинацию луковичнообразных углеродных наночастиц и наноалмазов при содержании наноалмазов 5-50% от общей объемной доли упрочняющих частиц. Выше уже говорилось об эффективности применения луковичнообразных углеродных наночастиц для упрочнения металлической матрицы. Однако возможно увеличить эффективность механического легирования металлов в смеси с луковичнообразными углеродными наночастицами. Экспериментально доказано, что добавление некоторого количества наноалмазов значительно интенсифицирует процессы механического легирования. Однако эффект практически незаметен, если наноалмазов меньше чем 5% от общей объемной доли упрочняющих частиц. При увеличении содержания наноалмазов более 50% от общей доли упрочняющих частиц эффект упрочнения от наноалмазов превышает эффект упрочнения от луковичнообразных углеродных наночастиц и может снизить реологические свойства материала.In the method, it is possible to use a combination of onion-like carbon nanoparticles and nanodiamonds with the content of nanodiamonds 5-50% of the total volume fraction of the reinforcing particles as strengthening nanoparticles. We have already mentioned the efficiency of using onion-like carbon nanoparticles for hardening a metal matrix. However, it is possible to increase the efficiency of mechanical alloying of metals mixed with onion-like carbon nanoparticles. It has been experimentally proved that the addition of a certain amount of nanodiamonds significantly intensifies the processes of mechanical alloying. However, the effect is almost imperceptible if nanodiamonds are less than 5% of the total volume fraction of hardening particles. With an increase in the content of nanodiamonds more than 50% of the total fraction of hardening particles, the effect of hardening from nanodiamonds exceeds the effect of hardening from onion-shaped carbon nanoparticles and can reduce the rheological properties of the material.

В способе возможно в качестве упрочняющих наночастиц применять комбинацию графенов и наноалмазов при содержании наноалмазов 5-50% от общей объемной доли упрочняющих частиц. Выше уже говорилось об эффективности применения графенов для упрочнения металлической матрицы. Однако возможно увеличить эффективность механического легирования металлов в смеси с графенами. Экспериментально доказано, что добавление некоторого количества наноалмазов значительно интенсифицирует процессы механического легирования. Однако эффект практически незаметен, если наноалмазов меньше чем 5% от общей объемной доли упрочняющих частиц. При увеличении содержания наноалмазов более 50% от общей доли упрочняющих частиц эффект упрочнения от наноалмазов превышает эффект упрочнения от графенов и может снизить реологические свойства.In the method, it is possible to use a combination of graphenes and nanodiamonds as reinforcing nanoparticles with a content of nanodiamonds of 5-50% of the total volume fraction of reinforcing particles. We have already talked about the effectiveness of using graphenes for hardening a metal matrix. However, it is possible to increase the efficiency of mechanical alloying of metals mixed with graphenes. It has been experimentally proved that the addition of a certain amount of nanodiamonds significantly intensifies the processes of mechanical alloying. However, the effect is almost imperceptible if nanodiamonds are less than 5% of the total volume fraction of hardening particles. With an increase in the content of nanodiamonds more than 50% of the total fraction of hardening particles, the effect of hardening from nanodiamonds exceeds the effect of hardening from graphene and can reduce the rheological properties.

В способе возможно при определении длительности обработки применять коэфициент 0,2÷0,5, а для матричного материала дополнительно применяют как минимум еще один вид металла или сплава, то есть в качестве матричного материала применяют как минимум два вида металлов или сплавов. Экспериментально установлено, что на равномерность распределения упрочняющих наночастиц значительное положительное влияние оказывают фазовые превращения. Для использования этого эффекта в способе предлагается в качестве исходного материала для формирования матрицы композита применить как минимум два вида металлов или сплавов. Если планируется для матрицы композита применить сплав с двумя компонентами, например, 100 г (А+В), то в качестве исходного материала применить два сплава 50 г (А+0,6В)+50 г (А+1,4В). В результате в процессе механического легирования будет протекать два процесса: (а) процесс перемешивания матрицы с упрочняющими частицами и (б) процессы механосплавления - образования нового сплава, которые закончатся фазовыми переходами. Эти фазовые переходы и увеличивают скорость и качество распределения наночастиц в матрице. Возможно при определении длительности обработки применять коэфициент 0,2÷0,5. Это делают с целью получения гранул, практически готовых к фазовому переходу, но пока не подвергшихся такому фазовому переходу. Этот фазовый переход начнется при нагреве и подплавлении. И этот фазовый переход положительно скажется не только на распределении упрочняющих частиц, но и на прочности сцепления тех участков композита, которые ранее были различными гранулами. При коэффициенте более 0,5 фазовый переход будет наблюдаться уже в твердом состоянии.In the method, it is possible to use a coefficient of 0.2 ÷ 0.5 when determining the processing time, and at least one more type of metal or alloy is additionally used for the matrix material, that is, at least two types of metals or alloys are used as the matrix material. It was experimentally established that phase transformations have a significant positive effect on the uniformity of the distribution of strengthening nanoparticles. To use this effect, the method proposes to use at least two types of metals or alloys as a starting material for forming the composite matrix. If it is planned to use an alloy with two components for the composite matrix, for example, 100 g (A + B), then use two alloys of 50 g (A + 0.6V) +50 g (A + 1.4V) as the starting material. As a result, two processes will occur in the process of mechanical alloying: (a) the process of mixing the matrix with hardening particles and (b) the processes of mechanical alloying - the formation of a new alloy, which will end in phase transitions. These phase transitions increase the speed and quality of the distribution of nanoparticles in the matrix. When determining the duration of processing, it is possible to use a coefficient of 0.2 ÷ 0.5. This is done in order to obtain granules that are almost ready for a phase transition, but have not yet undergone such a phase transition. This phase transition will begin during heating and melting. And this phase transition will positively affect not only the distribution of the strengthening particles, but also the adhesion strength of those sections of the composite that were previously various granules. When the coefficient is more than 0.5, the phase transition will be observed already in the solid state.

В способе возможно после проведения механического легирования в течение (0,2-0,7) времени необходимой обработки осуществлять термическую обработку гранул пропусканием гранул между двумя керамическими нагретыми до 200-600°C плитами в инертной атмосфере. Для некоторых комбинаций матричных материалов даже при малом времени обработки, когда агломераты упрочняющих частиц еще не разбились, начинают проходить фазовые превращения. Для этого случая проводят термическую обработку для снятия напряжений, таким образом увеличивают время обработки до начала фазовых превращений. Следует заметить, что нагрев гранул, находящихся в тигле, приведет к начальной стадии спекания. Это нежелательно, так как усложнит процессы механического легирования. Если частицы будут скользить по наклонной нагретой керамической плите (в зоне нагрева), то такого спекания наблюдаться не будет. Вторая параллельно расположенная нагретая плита обеспечивает заданную температуру. После выхода из зоны нагрева гранулы ввиду малого размера быстро охладятся. Такие гранулы помещают обратно в барабаны планетарной мельницы (или другого оборудования для механического легирования) и продолжают осуществлять механическое легирование. При необходимости возможно осуществить несколько таких циклов. Таким образом, равномерное распределение упрочняющих частиц и фазовые превращения смогут произойти одновременно.In the method, it is possible, after carrying out mechanical alloying for (0.2-0.7) time of necessary processing, to heat the granules by passing the granules between two ceramic plates heated to 200-600 ° C in an inert atmosphere. For some combinations of matrix materials, even with a short processing time, when the agglomerates of the strengthening particles have not yet broken, phase transformations begin to take place. For this case, heat treatment is carried out to relieve stresses, thus increasing the processing time before the start of phase transformations. It should be noted that heating the granules in the crucible will lead to the initial stage of sintering. This is undesirable, as it will complicate the processes of mechanical alloying. If particles slip on an inclined heated ceramic plate (in the heating zone), then such sintering will not be observed. A second parallel heated plate provides a predetermined temperature. After leaving the heating zone, the granules will quickly cool due to their small size. Such granules are placed back into the drums of a planetary mill (or other equipment for mechanical alloying) and continue to carry out mechanical alloying. If necessary, it is possible to carry out several such cycles. Thus, a uniform distribution of hardening particles and phase transformations can occur simultaneously.

В способе возможно наноалмазы перед механическим легированием отжигать при температуре 400-950°C в вакууме или в инертном газе в течение 1 часа. Исследования показали, что процессы полной трансформации наноалмазов в луковинообразные углеродные наночастицы протекают при нагреве выше 1000°C. Отжиги при температурах ниже 950°C к полной трансформации не приводят. Однако условия отжига влияют на состояние поверхности наноалмазных частиц. Отжиг в танталовых контейнерах практически не приводит к изменению цвета наноалмазных порошков, то есть структура поверхности не подвергается графитизации. Могут только происходить процессы разрушения функциональных групп на поверхности наночастиц, что приведет к облегчению разбиения агломератов. Отжиги при температурах ниже 400°C не приведут к разложению функциональных групп. Отжиги в графитовых тиглях приводят к изменению цвета наноалмазных порошков, но рентгеновский анализ показывает наличие в основном алмазной фазы. То есть изменения происходят только на поверхности наноалмазных частиц. Происходит разложение функциональных групп и частичная графитизация поверхностного слоя наноалмазной частицы. Агломераты таких частиц разбиваются еще легче. Итак, отжиги проводят для упрощения процессов разбиения агломератов. Для случаев, когда частью упрочняющих частиц являются графитообразные материалы, возможно отжиги наноалмазов проводить в графитовых тиглях, так как некоторое появление графитообразного материала не изменит структуры композита. Для случая, когда появление графитообразной составляющей нежелательно, отжиги следует проводить в танталовых контейнерах.In the method, it is possible to anneal nanodiamonds before mechanical alloying at a temperature of 400-950 ° C in vacuum or in an inert gas for 1 hour. Studies have shown that the processes of complete transformation of nanodiamonds into onion-like carbon nanoparticles occur when heated above 1000 ° C. Annealing at temperatures below 950 ° C does not lead to a complete transformation. However, annealing conditions affect the surface state of nanodiamond particles. Annealing in tantalum containers practically does not change the color of nanodiamond powders, i.e., the surface structure is not subjected to graphitization. The destruction of functional groups on the surface of nanoparticles can only occur, which will lead to easier agglomerate decomposition. Annealing at temperatures below 400 ° C will not lead to decomposition of functional groups. Annealing in graphite crucibles leads to a change in the color of nanodiamond powders, but x-ray analysis shows the presence of mainly a diamond phase. That is, changes occur only on the surface of nanodiamond particles. The decomposition of functional groups and partial graphitization of the surface layer of a nanodiamond particle occur. Agglomerates of such particles break even more easily. So, annealing is carried out to simplify the process of breaking agglomerates. For cases when graphite-like materials are part of the hardening particles, it is possible to anneal nanodiamonds in graphite crucibles, since some appearance of a graphite-like material will not change the structure of the composite. For the case when the appearance of a graphite-like component is undesirable, annealing should be carried out in tantalum containers.

Способ осуществляют следующим образом. Выбирают материал матрицы и материал упрочняющих частиц. Объемная доля упрочняющих частиц составляет от 0,1% до 50%, а размер упрочняющих наночастиц равен от 0,7 нм до 100 нм. Материал матрицы представляют в виде частиц, желательно плоских толщиной не более 0,5 мм и с максимальным размером в плане не более 5 мм. Размер агломератов наночастиц не должен быть чрезмерно большим, желательно не более 0,5 мм, но возможно и несколько больше. Исходные компоненты подвергают дегазации и помещают в герметичный бокс, заполненный инертной атмосферой (например, аргоном). В боксе осуществляют заполнение барабана устройства для механического легирования (это может быть планетарная мельница, аттритор и др.) исходными компонентами и мелющим технологическим инструментом, например шарами. Возможно вначале разместить компоненты в барабанах, а затем осуществить заполнение объема аргоном. Затем барабаны герметично закрывают, вынимают из бокса и устанавливают в устройство для механического легирования (например, в планетарную мельницу). Осуществляют механическое легирование. Длительность обработки при этом определяется по эмпирической формулеThe method is as follows. The matrix material and the material of the reinforcing particles are selected. The volume fraction of reinforcing particles is from 0.1% to 50%, and the size of the reinforcing nanoparticles is from 0.7 nm to 100 nm. The matrix material is presented in the form of particles, preferably flat, with a thickness of not more than 0.5 mm and with a maximum size in terms of not more than 5 mm. The size of the agglomerates of the nanoparticles should not be excessively large, preferably not more than 0.5 mm, but possibly a little more. The starting components are degassed and placed in an airtight box filled with an inert atmosphere (e.g. argon). In the box, the drum of the device for mechanical alloying is filled (this can be a planetary mill, attritor, etc.) with initial components and a grinding technological tool, for example, balls. It is possible to first place the components in the drums, and then fill the volume with argon. Then the drums are hermetically sealed, removed from the box and installed in a device for mechanical alloying (for example, in a planetary mill). Carry out mechanical alloying. The processing time is determined by the empirical formula

,

где t - время в минутах;where t is the time in minutes;

После окончания обработки в планетарной мельнице барабаны извлекают и помещают в герметичный бокс с инертной атмосферой. Там извлекают содержимое барабанов и отделяют композитные гранулы, которые получились в результате механического легирования, от шаров. Затем полученные гранулы передают на установки формирования изделий в полужидком или жидком состоянии (например, squeeze casting или др.) и формируют изделия в жидком или полужидком состоянии из порошкообразного материала (композиционных гранул) в специальных формах под давлением.After processing in a planetary mill, the drums are removed and placed in a sealed box with an inert atmosphere. There, the contents of the drums are extracted and composite granules, which are obtained as a result of mechanical alloying, are separated from the balls. Then, the obtained granules are transferred to semi-liquid or liquid-forming product units (for example, squeeze casting or others) and the products are formed in liquid or semi-liquid state from powder material (composite granules) in special forms under pressure.

Упрочняющие частицы могут быть различные, например, наночастицы карбида кремния и др. При этом возможно в качестве упрочняющих наночастиц применять углеродные нанотрубки; фуллерены; углеродный материал, состоящий из графенов; луковичнообразные углеродные наночастицы; наноалмазы; комбинацию углеродных нанотрубок и наноалмазов при содержании наноалмазов 5-50% от общей объемной доли упрочняющих частиц; комбинацию фуллеренов и наноалмазов при содержании наноалмазов 5-50% от общей объемной доли упрочняющих частиц; комбинацию луковичнообразных углеродных наночастиц и наноалмазов при содержании наноалмазов 5-50% от общей объемной доли упрочняющих частиц; применяют комбинацию графенов и наноалмазов при содержании наноалмазов 5-50% от общей объемной доли упрочняющих частиц.The reinforcing particles can be various, for example, silicon carbide nanoparticles, etc. In this case, it is possible to use carbon nanotubes as reinforcing nanoparticles; fullerenes; carbon material consisting of graphene; onion-shaped carbon nanoparticles; nanodiamonds; a combination of carbon nanotubes and nanodiamonds with a nanodiamonds content of 5-50% of the total volume fraction of reinforcing particles; a combination of fullerenes and nanodiamonds with a nanodiamonds content of 5-50% of the total volume fraction of reinforcing particles; a combination of onion-shaped carbon nanoparticles and nanodiamonds with a content of nanodiamonds of 5-50% of the total volume fraction of reinforcing particles; a combination of graphenes and nanodiamonds is used with a nanodiamonds content of 5-50% of the total volume fraction of reinforcing particles.

В способе возможно при подготовке исходных компонентов применить дополнительно как минимум еще один вид матричных частиц, а при определении длительности обработки применять коэфициент 0,2÷0,5. В этом случае при механическом легировании будет протекать два процесса: механическое сплавление материала матрицы и распределение упрочняющих частиц в матрице. При малых значениях коэффициента процесс механического сплавления будет подготовлен, но не произойдет. Эти процессы начнутся очень интенсивно при подплавлении гранул, а это приведет к большей прочности изделий и более равномерному распределению упрочняющих частиц.In the method, it is possible, when preparing the starting components, to apply at least one more type of matrix particles, and to determine the processing time, use a coefficient of 0.2 ÷ 0.5. In this case, during mechanical alloying, two processes will proceed: mechanical fusion of the matrix material and the distribution of hardening particles in the matrix. At low values of the coefficient, the process of mechanical fusion will be prepared, but will not happen. These processes will begin very intensively when the granules are melted, and this will lead to greater product strength and a more even distribution of the hardening particles.

В способе возможно после проведения механического легирования в течение (0,2-0,7) времени необходимой обработки осуществлять термическую обработку гранул пропусканием гранул между двумя керамическими нагретыми до 200-600°C плитами в инертной атмосфере. Это операция позволит снизить напряжения в гранулах. Иногда это требуется для получения более равномерного распределения наночастиц в матрице или для «задержки» процессов механического сплавления материалов матрицы.In the method, it is possible, after carrying out mechanical alloying for (0.2-0.7) time of necessary processing, to heat the granules by passing the granules between two ceramic plates heated to 200-600 ° C in an inert atmosphere. This operation will reduce the stress in the granules. Sometimes this is required to obtain a more uniform distribution of nanoparticles in the matrix or to “delay” the processes of mechanical fusion of matrix materials.

В способе возможно наноалмазы перед механическим легированием отжигать при температуре 400-950°C в вакууме или в инертном газе в течение 1 часа в танталовых контейнерах или в графитовых тиглях. Достижение задачи изобретения подтверждается следующими примерами:In the method, it is possible to anneal nanodiamonds before mechanical alloying at a temperature of 400-950 ° C in vacuum or inert gas for 1 hour in tantalum containers or in graphite crucibles. The achievement of the objectives of the invention is confirmed by the following examples:

Пример 1Example 1

Изготовили изделия цилиндрической формы из композиционного материала «Алюминиевый сплав АК7 + карбид кремния», средний размер наночастиц карбида кремния составлял 30 нм. Объемная доля упрочняющих частиц составила 15%. Алюминиевую стружку, предварительно обработанную в планетарной мельнице в течение 3 мин, и нанопорошки карбида кремния засыпали в герметичном боксе, заполненном аргоном, в барабаны планетарной мельницы, добавили шары из расчета 1 к 5 и герметично закрыли барабаны, извлекли из бокса и разместили в планетарной мельнице. Время обработки рассчитали по формулеCylindrical products were manufactured from the composite material “AK7 Aluminum Alloy + Silicon Carbide”, the average size of silicon carbide nanoparticles was 30 nm. The volume fraction of hardening particles was 15%. Aluminum shavings pretreated in a planetary mill for 3 minutes and silicon carbide nanopowders were poured in a sealed box filled with argon into the drums of a planetary mill, balls 1 to 5 were added and the drums were sealed, removed from the box and placed in a planetary mill . Processing time calculated by the formula

.

Обработку проводили с остановками по 2 мин для охлаждения через каждые 2 мин обработки. После завершения обработки в планетарной мельнице барабаны извлекли из мельницы и поместили в бокс, заполненный аргоном, где извлекли из них композиционные гранулы, отделив от шаров. Отобрали образцы для исследования струкутры, остальные композиционные гранулы в герметичной упаковке передали на оборудование для полужидкой штамповки. Гранулы засыполи в приемное устройство, откуда они были переданы в форму, произвели нагрев материала. Максимальная температура нагрева составляла 770°C. При 700°C приложили давление для осуществления штамповки. Штамповка была осуществлена при частичном (более 50%) расплавлении композиционных гранул. В результате были получены цилиндрические детали высокого качества. Исследование структуры композиционных гранул показало, что в композиционных гранулах упрочняющие наночастицы карбида кремния были равномерно распределены в алюминиевой матрице. Исследования структуры изделия показало, что упрочняющие частицы равномерно распределены по объему изделия перераспределения или агломерации наночастиц в ходе штамповки не произошло.The treatment was carried out with stops of 2 minutes for cooling every 2 minutes of treatment. After processing in the planetary mill was completed, the drums were removed from the mill and placed in a box filled with argon, where composite granules were removed from them, separated from the balls. Samples were taken to study the structure, the remaining composite granules in sealed packaging were transferred to equipment for semi-liquid stamping. The granules were poured into the receiving device, from where they were transferred to the mold, they heated the material. The maximum heating temperature was 770 ° C. At 700 ° C, pressure was applied to effect stamping. Stamping was carried out with partial (more than 50%) melting of composite granules. As a result, high-quality cylindrical parts were obtained. The study of the structure of composite granules showed that in the composite granules, the reinforcing nanoparticles of silicon carbide were uniformly distributed in the aluminum matrix. Studies of the structure of the product showed that the reinforcing particles are evenly distributed over the volume of the product redistribution or agglomeration of nanoparticles during stamping did not occur.

Пример 2Example 2

Изготовили изделия цилиндрической формы из композиционного материала «медный сплав + наноалмазы». Для матрицы применили два вида медных материалов: медь марки М0 и латунь марки Л62 в пропорции 1:1. Частицы матричного материала были представлены в виде стружки, предварительно обработанной в планетарной мельнице в течение 3 мин. Упрочняющими частицами служили наноалмазы. Объемная доля наноалмазов равнялась 20%, средний размер наноалмазной частицы равнялся 5 нм. В герметичном боксе, заполненном аргоном, в барабаны планетарной мельницы засыпали медные и латунные частицы, наноалмазный порошок (размер агломератов составлял порядка 5 мкм) и мелющие шары. Соотношение мелющих шаров к обрабатываемому материалу равнялось 1:5. Время обработки определили по формулеCylindrical products were made from the composite material “copper alloy + nanodiamonds”. Two types of copper materials were used for the matrix: copper grade M0 and brass grade L62 in a ratio of 1: 1. Particles of matrix material were presented in the form of chips pre-processed in a planetary mill for 3 minutes. Hardening particles were nanodiamonds. The volume fraction of nanodiamonds was 20%, and the average size of the nanodiamonds was 5 nm. In an airtight box filled with argon, copper and brass particles, nanodiamond powder (size of agglomerates was about 5 microns) were poured into the drums of a planetary mill, and grinding balls. The ratio of grinding balls to the processed material was 1: 5. The processing time was determined by the formula

Обработку проводили с остановками по 2 мин для охлаждения через каждые 2 мин обработки. В герметичном боксе осуществляли отбор проб для исследования структуры после 80 и 110 мин обработки. После завершения обработки в планетарной мельнице барабаны извлекли из мельницы и поместили в бокс, заполненный аргоном, где извлекли из них композиционные гранулы, отделив от шаров. Отобрали образцы для исследования струкутры полученных композиционных гранул, остальные композиционные гранулы в герметичной упаковке передали на оборудование для полужидкой штамповки. Гранулы засыпали в приемное устройство, откуда они были переданы в форму, произвели нагрев материала. Максимальная температура нагрева составляла 1100°C. При 950°C приложили давление для осуществления штамповки. Штамповка была осуществлена при частичном (более 50%) расплавлении композиционных гранул. Исследования показали, что после 80 мин обработки структура матрицы представляет собой смесь медных и латунных частиц (цвет материалов различный, и это легко видно методами оптической микроскопии), а при 110 мин обработки уже наблюдается однородная структура матрицы. Из частиц меди и латуни механическим сплавлением была получена латунь нового состава. Исследования структуры полученных композиционных гранул и полученных изделий цилиндрической формы показали равномерное распределение отдельнолежащих наноалмазных частиц в однородной матрице.The treatment was carried out with stops of 2 minutes for cooling every 2 minutes of treatment. In an airtight box, samples were taken to study the structure after 80 and 110 min of treatment. After processing in the planetary mill was completed, the drums were removed from the mill and placed in a box filled with argon, where composite granules were removed from them, separated from the balls. Samples were taken to study the structure of the obtained composite granules, the remaining composite granules in a sealed package were transferred to equipment for semi-liquid stamping. The granules were poured into the receiving device, from where they were transferred to the mold, and the material was heated. The maximum heating temperature was 1100 ° C. At 950 ° C, pressure was applied to effect stamping. Stamping was carried out with partial (more than 50%) melting of composite granules. Studies have shown that after 80 min of processing, the matrix structure is a mixture of copper and brass particles (the color of the materials is different, and this is easily seen by optical microscopy), and at 110 min of processing, a homogeneous matrix structure is already observed. Brass of a new composition was obtained from particles of copper and brass by mechanical alloying. Studies of the structure of the obtained composite granules and the obtained cylindrical shaped products showed a uniform distribution of separately lying nanodiamond particles in a homogeneous matrix.

Пример 3Example 3

Изготовили изделия цилиндрической формы из композиционного материала «алюминиевый сплав Д16 + фуллерены + наноалмазы». Размер фуллурена равен 0,71 нм, средний размер наноалмазной частицы равен 5 нм. Объемная доля (от общего объема композита) фуллеренов состаляла 6%, объемная доля наноалмазов (от общего объема композита) составляла 3% (что составляло 50% от объемной доли фуллеренов). Общая объемная доля упрочняющих частиц равнялась 9%. Для расчетов по эмпирической формуле применяют характеристики наиболее малых частиц, если их более 50% от общего количества упрочняющих частиц, то есть для расчетов по эмпирической формуле средний размер частиц был равен 0,71 нм, а коэффициент А равен 6. Время обработки вычислили по эмпирической формулеCylindrical products were made from the composite material “D16 aluminum alloy + fullerenes + nanodiamonds”. The size of fullerene is 0.71 nm; the average size of a nanodiamond particle is 5 nm. The volume fraction (of the total volume of the composite) of fullerenes was 6%, the volume fraction of nanodiamonds (of the total volume of the composite) was 3% (which was 50% of the volume fraction of fullerenes). The total volume fraction of hardening particles was 9%. For calculations according to the empirical formula, the characteristics of the smallest particles are used if they are more than 50% of the total number of reinforcing particles, that is, for calculations according to the empirical formula, the average particle size was 0.71 nm, and coefficient A is 6. Processing time was calculated according to empirical the formula

.

Обработку проводили с остановками по 2 мин для охлаждения через каждые 2 мин обработки. В герметичном боксе осуществляли отбор проб для исследования структуры после 60 и 80 мин обработки. После завершения обработки в планетарной мельнице барабаны извлекли из мельницы и поместили в бокс, заполненный аргоном, где извлекли из них композиционные гранулы, отделив от шаров. Отобрали образцы для исследования структуры полученных композиционных гранул, остальные композиционные гранулы в герметичной упаковке передали на оборудование для полужидкой штамповки. Гранулы засыпали в приемное устройство, откуда они были переданы в форму, произвели нагрев материала. Максимальная температура нагрева составляла 770°C. При 700°C приложили давление для осуществления штамповки. Штамповка была осуществлена при частичном (более 50%) расплавлении композиционных гранул. Исследование структуры гранул показало, что после 60 и 80 мин обработки наблюдалась некоторая неоднородность распределения упрочняющих частиц в матрице, а после 101 мин обработки и в конечном изделии упрочняющие частицы находятся в неагломерированном сотоянии и равномерно распределены в матрице.The treatment was carried out with stops of 2 minutes for cooling every 2 minutes of treatment. In an airtight box, samples were taken to study the structure after 60 and 80 min of treatment. After processing in the planetary mill was completed, the drums were removed from the mill and placed in a box filled with argon, where composite granules were removed from them, separated from the balls. Samples were taken to study the structure of the obtained composite granules, the remaining composite granules in a sealed package were transferred to equipment for semi-liquid stamping. The granules were poured into the receiving device, from where they were transferred to the mold, and the material was heated. The maximum heating temperature was 770 ° C. At 700 ° C, pressure was applied to effect stamping. Stamping was carried out with partial (more than 50%) melting of composite granules. The study of the structure of the granules showed that after 60 and 80 minutes of processing, there was some heterogeneity in the distribution of reinforcing particles in the matrix, and after 101 minutes of processing and in the final product, the reinforcing particles were in an unagglomerated state and uniformly distributed in the matrix.

Пример 4Example 4

Изготовили изделия цилиндрической формы из композиционного материала «медный сплав + наноалмазы». Для матрицы применили два вида медных материалов: медь марки М0 и латунь марки Л62 в пропорции 1:1. Частицы матричного материала были представлены в виде стружки, предварительно обработанной в планетарной мельнице в течение 3 мин. Упрочняющими частицами служила комбинация «углеродные нанотрубки + наноалмазы». Наноалмазы предварительно подвергли отжигу в течение 1 часа в вакууме глубиной 10^-4 торр. В процессе отжига наноалмазы находились в танталовом контейнере. Температура отжига составляла 900°C. Скорость нагрева и охлаждения составляла 5 град/мин. Объемная доля (от общего объема композиционного материала) углеродных нанотрубок составляла 12%, объемная доля (от общего объема композиционного материала) наноалмазов равнялась 3% (что составляло 25% от объемной доли углеродных нанотрубок), средний размер наноалмазной частицы равнялся 5 нм, диаметр нанотрубки равнялся приблизительно 1 нм, средняя длина нанотрубок равнялась 50 нм. Для расчетов по эмпирической формуле размер нанотрубки был принят 1 нм. В герметичном боксе, заполненном аргоном, в барабаны планетарной мельницы засыпали медные и латунные частицы, наноалмазный порошок (размер агломератов составлял порядка 10 мкм) и мелющие шары. Соотношение мелющих шаров к обрабатываемому материалу равнялось 1:5. Коэффициент К приняли равным 0,45, что находится в пределах 0,2-0,5. То есть в данном случае выполнили условие для того, чтобы фазовый переход был подготовлен, но не прошел. Время обработки определили по формулеCylindrical products were made from the composite material “copper alloy + nanodiamonds”. Two types of copper materials were used for the matrix: copper grade M0 and brass grade L62 in a ratio of 1: 1. Particles of matrix material were presented in the form of chips pre-processed in a planetary mill for 3 minutes. The strengthening particles were the combination of carbon nanotubes + nanodiamonds. The nanodiamonds were preliminarily annealed for 1 hour in a vacuum with a depth of 10 ^–4 Torr. During annealing, nanodiamonds were in a tantalum container. The annealing temperature was 900 ° C. The heating and cooling rate was 5 deg / min. The volume fraction (of the total volume of the composite material) of carbon nanotubes was 12%, the volume fraction (of the total volume of the composite material) of nanodiamonds was 3% (which was 25% of the volume fraction of carbon nanotubes), the average size of the nanodiamond particle was 5 nm, the diameter of the nanotube was approximately 1 nm; the average nanotube length was 50 nm. For calculations by the empirical formula, the nanotube size was taken to be 1 nm. In an airtight box filled with argon, copper and brass particles, nanodiamond powder (size of agglomerates was about 10 microns) were poured into the drums of a planetary mill, and grinding balls. The ratio of grinding balls to the processed material was 1: 5. The coefficient K was taken equal to 0.45, which is in the range of 0.2-0.5. That is, in this case, the condition was fulfilled so that the phase transition was prepared, but did not pass. The processing time was determined by the formula

Обработку проводили с остановками по 2 мин для охлаждения через каждые 2 мин обработки. В герметичном боксе осуществили отбор проб для исследования структуры после 70 мин обработки. После завершения обработки в планетарной мельнице барабаны извлекли из мельницы и поместили в бокс, заполненный аргоном, где извлекли из них композиционные гранулы, отделив от шаров. Отобрали образцы для исследования струкутры полученных композиционных гранул, остальные композиционные гранулы в герметичной упаковке передали на оборудование для полужидкой штамповки. Гранулы засыпали в приемное устройство, откуда они были переданы в форму, произвели нагрев материала. Максимальная температура нагрева составляла 1100°C. При 950°C приложили давление для осуществления штамповки. Штамповка была осуществлена при частичном (более 50%) расплавлении композиционных гранул. Исследования показали, что после 70 мин и после окончания механического легирования структура матрицы представляет собой смесь медных и латунных частиц (цвет материалов различный, и это легко видно методами оптической микроскопии). Наблюдалась некоторая неоднородность распределения наночастиц в матрице. Исследование структуры полученных штамповкой в полужидком состоянии изделий цилиндрической формы показало, что структура является однородной с равномерным распределением наночастиц в матрице, то есть из частиц меди и латуни в процессе полужидкой штамповки была получена латунь нового состава. Равномерность распределения наночастиц в матрице при этом значительно повысилась.The treatment was carried out with stops of 2 minutes for cooling every 2 minutes of treatment. In an airtight box, samples were taken to study the structure after 70 min of processing. After processing in the planetary mill was completed, the drums were removed from the mill and placed in a box filled with argon, where composite granules were removed from them, separated from the balls. Samples were taken to study the structure of the obtained composite granules, the remaining composite granules in a sealed package were transferred to equipment for semi-liquid stamping. The granules were poured into the receiving device, from where they were transferred to the mold, and the material was heated. The maximum heating temperature was 1100 ° C. At 950 ° C, pressure was applied to effect stamping. Stamping was carried out with partial (more than 50%) melting of composite granules. Studies have shown that after 70 min and after the end of mechanical alloying, the matrix structure is a mixture of copper and brass particles (the color of the materials is different, and this is easily seen by optical microscopy). Some heterogeneity of the distribution of nanoparticles in the matrix was observed. A study of the structure of cylindrical-shaped products obtained by stamping in a semi-liquid state showed that the structure is homogeneous with a uniform distribution of nanoparticles in the matrix, i.e., brass of a new composition was obtained from copper and brass particles during semi-liquid stamping. The uniformity of the distribution of nanoparticles in the matrix significantly increased.

Пример 5Example 5

Изготовили изделия цилиндрической формы из композиционного материала «алюминиевый сплав Д16+наноалмазы». Средний размер наноалмазной частицы равен 5 нм. Объемная доля наноалмазов (от общего объема композита) составляла 25%. Время обработки определили по формулеCylindrical products were made from the composite material “aluminum alloy D16 + nanodiamonds”. The average size of a nanodiamond particle is 5 nm. The volume fraction of nanodiamonds (of the total volume of the composite) was 25%. The processing time was determined by the formula

.

Обработку проводили с остановками по 2 мин для охлаждения через каждые 2 мин обработки. В герметичном боксе осуществляли отбор проб для исследования структуры после 60, 80 и 120 мин обработки. После завершения обработки в планетарной мельнице барабаны извлекли из мельницы и поместили в бокс, заполненный аргоном, где извлекли из них композиционные гранулы, отделив от шаров. Отобрали образцы для исследования струкутры полученных композиционных гранул, остальные композиционные гранулы в герметичной упаковке передали на оборудование для жидкой штамповки. Гранулы засыпали в приемное устройство, откуда они были переданы в форму, произвели нагрев материала. Максимальная температура нагрева составляла 770°С. При 700°С приложили давление для осуществления штамповки. Штамповка была осуществлена при полном расплавлении композиционных гранул. Исследование структуры гранул показало, что после 60, 80 и 120 мин обработки наблюдалась некоторая неоднородность распределения упрочняющих частиц в матрице, а после 203 мин обработки и в конечном изделии упрочняющие частицы находятся в неагломерированном сотоянии и равномерно распределены в матрице. Исследование изломов образцов после разрушения показало, что разрушение проходит по основному материалу.The treatment was carried out with stops of 2 minutes for cooling every 2 minutes of treatment. In an airtight box, samples were taken to study the structure after 60, 80, and 120 min of treatment. After processing in the planetary mill was completed, the drums were removed from the mill and placed in a box filled with argon, where composite granules were removed from them, separated from the balls. Samples were taken to study the structure of the obtained composite granules, the remaining composite granules in a sealed package were transferred to liquid stamping equipment. The granules were poured into the receiving device, from where they were transferred to the mold, and the material was heated. The maximum heating temperature was 770 ° C. At 700 ° C, pressure was applied to effect stamping. Stamping was carried out with the complete melting of the composite granules. A study of the structure of the granules showed that after 60, 80, and 120 min of processing, a certain heterogeneity of the distribution of strengthening particles in the matrix was observed, and after 203 minutes of processing and in the final product, the strengthening particles were in an unagglomerated state and uniformly distributed in the matrix. The study of fractures of samples after fracture showed that fracture passes through the base material.

Claims

1. Способ получения изделий из композиционных металломатричных материалов с наноразмерными упрочняющими частицами, включающий получение гранул композиционного материала путем механического легирования смеси, содержащей частицы матричного материала и 0,1-50 об.% упрочняющих наночастиц размером 0,7-100 нм, в течение времени, определяемого по эмпирической формуле

,
где t - время, мин;
А - безразмерная величина, по величине равная объемной доле упрочняющих частиц, %;
В - безразмерная величина, по величине равная среднему размеру упрочняющих наночастиц, нм;
K - коэффициент, равный 0,2÷2,0 мин,
размещение гранул в форме, нагрев до частичного или полного расплавления гранул и полужидкую или жидкую штамповку.1. The method of obtaining products from composite metal matrix materials with nanoscale reinforcing particles, comprising obtaining granules of a composite material by mechanical alloying of a mixture containing particles of a matrix material and 0.1-50 vol.% Reinforcing nanoparticles with a size of 0.7-100 nm, over time determined by the empirical formula

,
where t is the time, min;
A is a dimensionless quantity equal in magnitude to the volume fraction of reinforcing particles,%;
B is a dimensionless quantity equal in magnitude to the average size of the strengthening nanoparticles, nm;
K - coefficient equal to 0.2 ÷ 2.0 min,
placing the granules in a mold, heating to partial or complete melting of the granules, and semi-liquid or liquid stamping.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве упрочняющих наночастиц используют углеродные нанотрубки.2. The method according to claim 1, characterized in that carbon nanotubes are used as strengthening nanoparticles.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве упрочняющих наночастиц используют фуллерены.3. The method according to claim 1, characterized in that fullerenes are used as strengthening nanoparticles.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве упрочняющих наночастиц используют углеродный материал, состоящий из графенов.4. The method according to claim 1, characterized in that the carbon material consisting of graphenes is used as strengthening nanoparticles.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве упрочняющих наночастиц используют луковичнообразные углеродные наночастицы.5. The method according to claim 1, characterized in that onion-like carbon nanoparticles are used as strengthening nanoparticles.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве упрочняющих наночастиц используют наноалмазы.6. The method according to claim 1, characterized in that nanodiamonds are used as strengthening nanoparticles.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве упрочняющих наночастиц используют комбинацию углеродных нанотрубок и наноалмазов при содержании наноалмазов 5-50% от общей объемной доли упрочняющих частиц.7. The method according to claim 1, characterized in that as the strengthening nanoparticles use a combination of carbon nanotubes and nanodiamonds with the content of nanodiamonds 5-50% of the total volume fraction of the reinforcing particles.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве упрочняющих наночастиц используют комбинацию фуллеренов и наноалмазов при содержании наноалмазов 5-50% от общей объемной доли упрочняющих частиц.8. The method according to claim 1, characterized in that the combination of fullerenes and nanodiamonds with a content of nanodiamonds of 5-50% of the total volume fraction of the reinforcing particles is used as strengthening nanoparticles.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве упрочняющих наночастиц используют комбинацию луковичнообразных углеродных наночастиц и наноалмазов при содержании наноалмазов 5-50% от общей объемной доли упрочняющих частиц.9. The method according to claim 1, characterized in that the combination of onion-like carbon nanoparticles and nanodiamonds with a content of nanodiamonds of 5-50% of the total volume fraction of reinforcing particles is used as strengthening nanoparticles.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве упрочняющих наночастиц используют комбинацию графенов и наноалмазов при содержании наноалмазов 5-50% от общей объемной доли упрочняющих частиц.10. The method according to claim 1, characterized in that as the strengthening nanoparticles use a combination of graphene and nanodiamonds with a content of nanodiamonds of 5-50% of the total volume fraction of the reinforcing particles.

11. Способ по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что в качестве матричного материала используют по меньшей мере два вида металла или сплава, при этом время механического легирования определяют при коэфициенте K, равном 0,2-0,5.11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that at least two types of metal or alloy are used as matrix material, while the time of mechanical alloying is determined with a coefficient K equal to 0.2-0.5.

12. Способ по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что в процессе механического легирования по истечении времени (0,2-0,7)t осуществляют термическую обработку гранул путем пропускания их между двумя керамическими нагретыми до 200-600°С плитами в инертной атмосфере легирования, после чего продолжают проводить механическое легирование.12. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that in the process of mechanical alloying after a period of time (0.2-0.7) t, the granules are heat treated by passing them between two ceramic heated to 200-600 ° C plates in an inert atmosphere of alloying, after which they continue to carry out mechanical alloying.

13. Способ по любому из пп.6-10, отличающийся тем, что наноалмазы перед механическим легированием отжигают при температуре 400-950°С в вакууме или в инертном газе в течение 1 ч.13. The method according to any one of claims 6 to 10, characterized in that the nanodiamonds are annealed before mechanical alloying at a temperature of 400-950 ° C in vacuum or in an inert gas for 1 hour

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что отжиг наноалмазов осуществляют в танталовых контейнерах.14. The method according to item 13, wherein the annealing of nanodiamonds is carried out in tantalum containers.

15. Способ по п.13, отличающийся тем, что отжиг наноалмазов осуществляют в графитовых тиглях. 15. The method according to item 13, wherein the annealing of nanodiamonds is carried out in graphite crucibles.