Упрочнение сталей с помощью фуллеренов
Возможность увеличения механических черт железа методом добавления углерода известна с древних времен. На этом принципе выстроена вся тёмная металлургия, благодаря достижениям которой механические особенности сталей существенно превышают соответствующие характеристики чистого железа. Новые модификации углерода (фуллерены, углеродные нанотрубки и т.п.) снова пробудили интерес к проблеме получения жёстких материалов на базе железа с добавлением углерода.
Благотворное действие аналогичных структур на механические особенности сталей было показано сравнительно не так давно открытием германских археологов, каковые поняли, что в состав музейного экземпляра сабли из дамасской стали, изготовленной в средневековье, входят многослойные углеродные нанотрубки. Все это стимулирует проведение направленных изучений влияния добавления наноуглеродных частиц на механические особенности сталей.
Сравнительно не так давно опубликован подробный обзор результатов таких изучений, выполненных в Университете материаловедения и металлургии им. А.А. Байкова РАН совместно с Университетом электрохимии и физической химии им.
А.Н. Фрумкина РАН. Цилиндрические образцы материалов диаметром 10 мм и высотой 5–6 мм на базе карбонильного железа, которые содержат 10 вес.% фуллеренов С60, С70 либо сажевого экстракта С60 + С70, были изготовлены на гидравлическом прессе в стандартных камерах большого давления, применяемых для синтеза сверхтвердых материалов, под давлением порядка 5 ГПа при температурах 1200–1400оС и изотермической выдержке до 10 мин.
Полученные композиционные структуры изучили посредством микроскопа, спектрометра комбинационного рассеяния и рентгеновского дифрактометра. Твердость образцов измеряли посредством нанотвердомера. Результаты измерений показывают на высокую износостойкость образцов композиционных материалов, содержащих примеси фуллеренов.
Так, в отношении абразивной износостойкости эти материалы на порядок превосходят узнаваемые износостойкие стали ШХ15, а по коэффициенту трения (0,12) они приближаются к алмазоподобным покрытиям. Физический механизм, определяющий модификацию сталей, связан с преобразованием при больших температуре и давлении микрокристалликов фуллерена в новую фазу углерода, характеризуемую повышенной твердостью.
Детальные изучения продемонстрировали, что результатом таких преобразований есть многократное повышение модуля упругости (до 10–15 ГПа) и износостойкости. Наряду с этим громаднейший эффект отмечается на примерах, взятых с применением сажевого экстракта, что содержит смесь молекул фуллеренов разного сорта.
А.В. Елецкий
- О.П. Черногорова и др., Российские нанотехнологии 3, №5–6, 150 (2008)