НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2009, том 45, № 10, с. 1235-1242
УДК 621.921.1:546.76-31
АБРАЗИВНЫЕ СВОЙСТВА НАНОДИСПЕРСНОГО ОКСИДА
АЛЮМИНИЯ-ЖЕЛЕЗА
© 2009 г. Л. Ф. Королева
Институт машиноведения УрО Российской академии наук, Екатеринбург Поступила в редакцию 18.03.2008 г.
Методами РФА, ИК-спектроскопии, ДТА, электронной микроскопии и гранулометрии выявлены закономерности формирования твердого раствора на основе оксидов алюминия и железа с нанодисперсным составом, полученного в результате термообработки аммонийных гидроксокарбонатных комплексов типа КН4А12Ре(0Н)5(С03) ■ яН20. Установлено, что полученный из гидроксокомплексов смешанный оксид а-А12 _ хРех03 с х = 0.30-0.37 обеспечивает шероховатость поверхности Яа = 0.005-0.02 мкм в процессах финишного полирования стали с аустенитно-мартенситной структурой типа марки ШХ-15 при высокой производительности за счет трибохимической активности и содержания нанодисперсной фракции 1-10 нм.
ВВЕДЕНИЕ
Одна из основных проблем точного машиностроения - получение шероховатости поверхности высокоточных изделий менее 0.04 мкм.
В настоящее время наиболее распространенными в практике доводочных операций полирования являются абразивные материалы с высокой твердостью: микроалмазные порошки и порошки на основе корунда. Однако к наиболее производительным абразивным порошковым материалам следует отнести оксиды переходных и редкоземельных элементов (РЗЭ) со средней твердостью (по шкале Мооса 5-7 баллов): Се02, Zr02, Сг203, А1203, Бе203 [1]. Однако они не всегда удовлетворительны с точки зрения производительности и не обеспечивают получение высокого класса чистоты обработки поверхности. Твердые растворы на основе оксидов, например хрома и алюминия, имеют более высокие абразивные характеристики, но их использование не обеспечивает получения шероховатости поверхности менее 0.1 мкм [2, 3].
В [4-9] нами показано, что качество поверхности полируемых металлов зависит от химической активности абразивного материала, которую можно повысить модифицированием с химически активными элементами. Модифицирование оксида хрома с образованием твердых растворов с РЗЭ и кальцием дает эффект повышения полирующей способности и одновременно обеспечивает шероховатость поверхности 0.07-0.08 мкм. При этом применение оксида хрома, модифицированного оксидами Са0 и &02, повышает качество полирования и выход высокоточных изделий из закаленной стали ШХ15 до 8082%. Однако лучшим решением является получение экологически чистого абразивного материала без содержания оксида хрома. Выбор и разработка но-
вых абразивных материалов должны базироваться на знании процессов полирования. Ранее установлено, что финишное доводочное полирование представляет собой механохимический процесс в подповерхностном слое металлов. Также показано, что для получения шероховатости поверхности менее 0.02 мкм абразивный материал должен обладать химической (трибохимической) активностью в процессе трения. При этом происходит механохимиче-ская активация поверхности металла и самого абразивного материала с возможным образованием активированных комплексов на поверхности металла, сопровождающаяся на I стадии процесса ускоренным окислением металла и переносом кислорода в подповерхностный нанослой, а на II стадии -удалением оксидной пленки абразивными зернами [10]. Следует отметить, что термин "механохимия" может быть применен и при описании процессов трения, шлифования и полирования, когда под воздействием механической энергии проявляются ме-ханохимические эффекты [11].
Пределом точности полированной поверхности является плоскость, на которой отступление от идеальной поверхности может быть доведено до 1/200 доли световой волны, т.е. порядка 2 нм. Принимая во внимание этот факт, можно предположить, что имеют место атомные или молекулярные явления в подповерхностном слое глубиной, исчисляемой единицами и десятками нанометров. Поэтому процесс полирования следует отнести к нанотех-нологиям. Для получения такой поверхности необходимо применение нанопорошковых материалов.
Известны различные методы получения наноча-стиц порошкового материала на основе оксида алюминия, например методом импульсного нагрева. Однако использовать для полирования такой материал не рекомендуется, поскольку он не обладает необхо-
1235
6*
димыми абразивными свойствами - частицы имеют несформированную кристаллическую форму [12]. Методы, основанные на получении золь-геля гид-роксидов переходных металлов с последующим прокаливанием, не дают трибохимического эффекта при полировании, так как в процессе трибохимического активирования играет роль не только нано-размер частиц, но и из каких комплексов были получены смешанные оксиды. Получение наночастиц абразивного материала механохимическим методом не обеспечивает всего комплекса свойств, необходимых для достижения высокого класса чистоты обработки поверхности [13].
Одним из перспективных методов получения наночастиц является метод химической модификации слоистых структур, при котором используется обра-
2+ 3
зование гидроксокомплексов М1_ х Мх (0Ы)2(Хп-);с/п • • шЫ2О. Структура этих соединений состоит из положительно заряженных гидроксидных слоев
М2++ х М3 (ОЫ )2+ и анионов Xй-. Для получения ультрадисперсных неорганических материалов, в том числе и сложных оксидов, перспективным является метод синтеза из гидроксокарбонатных комплексов. При этом совокупность образования промежуточных гидроксокарбонатных комплексных соединений с последующим гидролизом и термогидролизом дает эффект получения материалов с качественно новыми функциональными свойствами. Их природа определяется свойствами и координационной возможностью комплексообразователей, а необходимая для получения определенных свойств структура связей формируется на первом этапе - стадии осаждения и образования гидроксокомплексов. Так, известно, что через аммонийные гидроксокарбонаты переходных и редкоземельных металлов можно синтезировать ряд неорганических соединений с новыми функциональными свойствами: шпинели с яркой цветовой гаммой для керамических пигментов [14, 15], неорганические высокоселективные ионообменные сорбенты типа фосфата циркония для разделения РЗЭ, например пары самарий-неодим с высокой степенью разделения [16].
Цель данной работы - изучение закономерностей синтеза нанодисперсного двойного оксида алюминия и железа из гидроксокарбонатных комплексов и его абразивных свойств.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Двойной оксид алюминия и железа получали термообработкой аммонийных гидроксокарбонатных комплексов в интервале температур 1000-1150°С. Осаждение аммонийных гидроксокарбона-тов осуществляли путем введения 0.2 М растворов сульфатных солей металлов в нагретый до 60-75°С 2 М раствор КЫ4ЫС03 согласно методу [17]. Концентрацию оксида железа варьировали в интервале
0-0.16 мол. %. Содержание алюминия и железа в гидроксокарбонатах определяли трилонометриче-
ски, содержание КЫ+ - фотометрически в соответствии с [18], содержание СО3 - волюмометрическим методом с улавливанием углекислого газа раствором щелочи после нагревания при 220-250°С образцов, высушенных при комнатной температуре [19], содержание суммы ОН- и СО3-групп - оксалатным
и содержание 80^ -групп - гравиметрическим методами [20].
Образцы исследовали следующими методами: ИК-спектроскопией (спектрофотометр Ш-475 фирмы 8Ышайш) (образцы прессовали в таблетки с КВг); ДТА (дериватограф системы МОМ при скорости нагревания 10-11°С/мин в интервале 20-1000°С с навеской 500 мг); РФА (дифрактометр ДРОН-3М, СиАа-излучение, никелевый фильтр). Межплоскостные расстояния й/п рассчитывали по центру тяжести дифракционных максимумов, параметры элементарных ячеек смешанного оксида определяли по линиям НИ 104, 110, 113 в соответствии с формулой для гексагональной решетки [21], при этом погрешность измерения не превышала 0.003, 0.004, 0.002 А соответственно. Объем элементарной ячейки гексагональной решетки вычисляли по формуле V =
= -73/2 (а2с) с точностью до 0.3 А3. По изменениям значений параметров ячеек и смещению дифракционных линий, а также по изменению абразивных свойств делали заключение об образовании твердых растворов.
Химический фазовый анализ оксидов в образцах осуществляли по рекомендациям [20] с относительной погрешностью 0.001 мол. %. Гранулометрический состав образцов устанавливали методом седиментации на центрифугальном седиментографе фирмы 8Ыша^и "АПа1у/1ег 8А-СР2" (вязкость дисперсионной среды 0.0093 пуаз; плотность жидкой фазы 1.0 г/см3), а также с помощью электронной микроскопии (сканирующий электронный микроскоп Ш0Ь8).
Абразивные свойства образцов в процессах полирования исследовали согласно стандартным методикам [22] по изменению производительности (или полирующей способности) и шероховатости поверхности (Яа) с помощью лазерной интерферометрии и атомно-силовой микроскопии (АСМ) с применением сканирующего зондового микроскопа "НаноСкан", работающего в жестком контактном режиме. При измерении Яа максимальное поле сканирования составляло 9 х 9 мкм с разрешением 512 х 512 точек при скорости сканирования 30 мкм/с. При АСМ-исследованиях шероховатости снимали серию кадров с одинаковыми размерами с различных участков поверхности. По каждому кадру рассчитывали параметры среднеквадратич-
ного отклонения высот рельефа. Итоговую шероховатость поверхности на данном масштабе оценивали как величину, усредненную по набору кадров одинакового размера. Исходные образцы были из закаленной стали марки ШХ-15 с аустенитно-мар-тенситной структурой, начальное значение Яа = 0.20.3 мкм. Производительность процесса полирования вычисляли по формуле
Р = А М/ (Бг),
(1)
о^ /О-
он
он
н\/н н
^С ^А^ ^>1
о о I о^ ^
он | н' чн I онЧ)
о' хо^ он
пМЦ
4 • (3)
I, отн. ед. 1.2
40003000 2000
1500
1000
500
где АМ - среднее изменение массы образцов в процессе полирования, мг; 5 - площадь полируемой поверхности образцов, см2; г - длительность полирования, мин.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Из результатов ИК-спектроскопии и химического метода анализа следует, что осажденные аммонийные гидроксокарбонаты алюминия и железа в своем составе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.