Формирование абразивного материаланаоснове медь-титан-алмаз

Biochemistry (Moscow) supplement series A: Membrane and Cell Biology, 2008, vol.2, No.1, pp. 73-81.

3. Николаев И.Н., Левцова О.В., Шайтан К.В. Динамика зервамицина IIB в воде и в метаноле // Вестник Якутского государственного университета. - 2009. - Т. 6. - № 2. - С. 18-24.

4. Boheim G. Statistical analysis of alamethicin channels in black lipid membranes. J. Membr. Biol., 19, 1974, 277-303.

5. Boheim G., Janko K., Leibfritz D., Ooka T., Konig W.A., Jung G. Structural and membrane modifying porperties of suzukacillin, a peptide antibiotic related to alamethicin. Part B. Pore formation in black lipid films. Biochim. Biophys. Acta, 433, 1976, 182-199.

6. Jung G., Konig W.A., Leibfritz D., Ooka T., Janko K., Boheim G. Structural and membrane modifying properties of suzukacillin, a peptide antibiotic related to alamethicin. Part A. Sequence and conformation. Biochim. Biophys. Acta, 433, 1976, 164-181.

7. Oren Z., Shai Y. Mode of action of linear amphipathic alpha-helical antimicrobial peptides. Biopolymers, 47, 1998, 451-463.

8. Ludtke S.J., He K., Heller W.T., Harroun T.A., Yang L., Huang H.W. Membrane pores induced by magainin. Biochemistry, 35, 1996, 13723-13728.

9. Kobayashi S., Chikushi A., Tougu S., Imura Y, Nishida M., Yano Y., Matsuzaki K. Membrane translocation mechanism of the antimicrobial peptide buforin 2. Biochemistry, 43, 2004, 1561015616.

10. Okazaki T., Sakoh M., Nagaoka Y, Asami K. Ion channels of alamethicin dimer N-terminally linked by disulfide bond. Biophys. J., 85, 2003, 267- 273.

11. Sakoh M., Okazaki T., Nagaoka Y, Asami K. N-terminal insertion of alamethicin in channel formation studied using its covalent dimer N-terminally linked by disulfide bond. Biochim. Biophys. Acta, 1612, 2003, 117-121.

I.N. Nickolaeva, O.V Levtsova, A.K. Shaytan, K.VShaytan

Interaction between zervamicin IIB and lipid bilayer

The authors show that method of molecular dynamics [1, 2, 3] can be used to study interaction between molecule of zervamicin IIB and membranes of eukaryotic and prokaryotic cells. Lipid bilayer consisting of palmitoiloleoilphosphatidilholin (POPhH) was used to model membrane of eukaryotic cell. Lipid bilayer of palmitoiloleoilphosphatidilglycerol (POPhG) and palmitoiloleoilphosphatidilethanola min (POPhE) in proportion 1:4 was used to model bacterial cell. Zervamicin molecule’s ability to aggregate on a membrane’s surface was researched. In addition two-way influence of peptides on a binding and incorporation process.

Key words: equilibrium molecular dynamics, controlled molecular dynamics, biological membranes, peptides, amino-acid remains.

УДК 669

М.А. Емельянова, Г.Н. Романов, И.И. Ноев

ФОРМИРОВАНИЕ АБРАЗИВНОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ

МЕДЬ-ТИТАН-АЛМАЗ

На основе классического представления об объемных изменениях порошковых тел при твердофазном спекании исследовалась возможность формирования абразивного материала на основе медь-титан-алмаз. Изделия, полученные методом порошковой металлургии, не изменяли свои формы и размеры, что упрощало дальнейшую их обработку. Наилучшие свойства показали образцы, содержащие в равных долях металлическую связку и алмазный порошок.

Ключевые слова: система, порошок, смесь, пресс-форма, пористость, спекание, твердость, алмаз, абразивный материал.

ЕМЕЛьЯНОВА Маргарита Алексеевна - к.т.н., доцент ФТИ ЯГУ

E-mail: meggye@rambler.ru

РОМАНОВ Георгий Николаевич - к.ф.-м.н., доцент ФТИ ЯГУ.

E-mail: romgeorg@ykt.ru

НОЕВ Иван Иванович - к.т.н., доцент ФТИ ЯГУ E-mail: meggye@rambler.ru

Влияние пористости, температуры спекания и концентрации титана на объемные изменения прессовок системы ^- ТС

Для приготовления смесей, содержащих 1, 2, 3 и 4 ат.% титана, использовались порошки меди марки ПМС и титана марки ПТЭ со средней величиной частиц меньше 50 мкм.

Данные порошки смешивались в заданном весовом соотношении в смесителе типа “шаровой мельницы” в течение трех часов. С целью получения однородной смеси перед смешиванием в неё добавлялись стальные шарики из расчета примерно 50 г на 100 г смеси. Навески смесей, одинаковых по массе для данного состава в количестве

5,5 грамм, прессовались в цилиндрической прессформе «плавающего типа» со специальным ограничителем, с помощью которого, изменяя высоту прессовок, можно получать образцы с заданной пористостью.

Прессование осуществлялось на гидравлическом прессе ИП-500 с электроприводом. С помощью такой методики было получено по 9 образцов для каждой температуры с каждого состава, имеющих форму цилиндра диаметром 1 см и высотой, изменяющейся в пределах от 0,9 до 1,5 см, пористость образцов составляла от 20 до 45%.

Сырые образцы с целью определения их пористости взвешивались на аналитических весах с точностью до

0,001 г, а их размеры измерялись при помощи штангенциркуля с точностью до 0,01 мм.

Для определения конечной пористости спеченные образцы также подвергались измерению линейных размеров и весов.

Спекание проводилось в интервале 850-10000С в муфельной печи марки Laborterm 53. Твердость измерялась по методу Роквелла на твердомере марки LR 100 фирмы LEGO. Испытания проводились на машине СМЦ-2 с парами образцов диск-колодки, в нашем случае абразивный материал был спрессован в виде цилиндра, а контртело - диск из низкоуглеродистой стали Ст3. Скорость вращения 300 об./мин. с нагрузкой 2,5Н [1, 2].

По результатам измерений конечной пористости для каждой партии образцов с определенной концентрацией титана, спеченных при заданной температуре, строилась графическая зависимость конечной пористости п от начальной п0 (рис. 1). Как оказалось, в большинстве случаев экспериментальные точки достаточно хорошо укладываются на прямые линии и параллельны биссектрисе, что указывает на независимость объемных изменений прессовок системы медь-титан от исходной пористости. Причем линии образцов с большим содержанием титана лежат ближе к биссектрисе угла. Это говорит о том, что пористость не влияет на объемные изменения системы Cu - Ti. Как видно из рис. 1, прямые зависимости лежат параллельно биссектрисе угла.

Концентрация вводимой добавки заметно влияет на объемные изменения прессовок. Так, при концентрации

0,1

0,2

0,3

0,4 По

0,1

0,2

0,3

0,4

%

0 0.1 0.2 0,3 0.4 Пи 0 0.1 0.2 0.3 0.4 По

Рис. 1. Зависимость конечной пористости прессовок медь-титан от исходной при различных концентрациях

титана и температурах спекания.

Содержание титана, ат.%: а - 1; б - 2; в - 3; г - 4;

Температура спекания,0С • - 850; х - 900; ♦ - 950; о - 1000

вводимой добавки 1 ат.% Т происходит небольшой рост прессовок относительно усадки чистой меди. При увеличении концентрации до 4 ат.% Т прямая зависимости конечной пористости от начальной приближается к биссектрисе, но не пересекает ее, что указывает на некоторый относительный рост (рис. 1 а). При увеличении температуры спекания от 850 до 10000С происходит дальнейший рост прессовок, который отражается в параллельном перемещении прямых зависимости конечной пористости от начальной для всех взятых нами концентраций титана.

Как видно из рис. 1, все прямые образцов, спечённых при температурах спекания 850, 900, 950, 10000С, лежат ниже биссектрисы угла, кроме образцов с концентрацией

4 ат.% Тг Это говорит о том, что образцы претерпевают некоторую усадку. В случае, если за исходную линию взять не биссектрису, а линию чистой меди, которая расположена значительно ниже биссектрисы, то при данных концентрациях объёмные изменения в незначительной мере зависят от температуры спекания.

Анализ материалов показал, что большую усадку дают образцы, спеченные при температуре 8500С, это связано с тем, что при усадке порошковых тел большую роль играет коэффициент перегруппировки. Этот коэффициент показывает, во сколько раз уменьшается первоначальная пористость прессовки вследствие перегруппировки частиц. Он зависит от концентрации вводимой добавки: чем выше концентрация добавки, тем меньше коэффициент перегруппировки. При температуре спекания 9000С происходит значительная усадка прессовок, поэтому данная температура не подходит для оптимального режима спекания. При более высокой температуре спекания (10000С) нивелировалось влияние температуры на объемные изменения прессовок. Это связано с тем, что сама система медь-титан обладает высоким температурным экзоэффектом. Поэтому можно было ожидать некоторую независимость от температуры спекания, что и подтвердило спекание при температуре 9500С. Как видно из рис. 1 зависимость конечной пористости от начальной пористости почти совпал с биссектрисой, полученной при спекании 9500С. При температуре 10000С происходит дальнейший рост прессовок с концентрацией 4 ат.% титана. Отсюда видно, что с повышением температуры спекания образцы с большей концентрацией подвергаются росту прессовок, а не усадке.

Расчет вклада в объемные изменения прессовок двух движущих сил перегруппировки и сплавообразования

Для расчета R-коэффициента перегруппировки и С8-предела растворимости титана в меди твердой фазы, которая косвенно указывает на вклад сплавообразования при постоянном Сь-пределе растворимости меди в жидкой фазе, согласно диаграмме состояния, мы воспользо-

вались универсальным соотношением, которое описывает на основе модели жидкофазного спекания полученные прямые зависимости конечной пористости от начальной пористости [3].

пк = С*

1 - С - С 1 - С - С

Величины С* и R, найденные при подстановке в (1) при пк = П(0), определенных экспериментально, и Сь взятых из диаграммы состояния медь-титан для соответствующих температур спекания, приведены в табл. 1.

При таком формальном выборе значений Сь допускалась бы ошибка, обусловленная неучетом возникающего при спекании теплового эффекта, которая сказывается на величине С* тем значительнее, чем выше концентрация титана С, но в нашем случае в силу малой концентрации второго компонента такой вклад ничтожен.

Таблица 1

Расчет ^ и R для прессовок системы медь-титан

С Т 0С П (0)* tg а с* с* R

0,01 900 950 1000 0,05 1 0,76 0,82 0,88 0,008 0,010 0,012 0,950 0,949 0,951

0,02 900 950 1000 0,075 1 0,76 0,82 0,88 0,015 0,018 0,021 0,935 0,931 0,930

0,03 900 950 1000 0,1 1 0,76 0,82 0,88 0,022 0,027 0,032 0,920 0,900 0,905

0,04 900 950 1000 0,125 1 0,76 0,82 0,88 0,029 0,035 0,043 0,870 0,877 0,850

* отсчет идет от точки пересечения линии чистой меди и Пк

Наиболее достоверным результатам отвечают высокие температуры спекания, при которых влияние теплового эффекта не столь существенно. Хотя при расчете концентрации С* по уравнению 1 значения Сь* выбирались достаточно произвольно во всем их интервале, абсолютные значения С* получались вполне разумными. В результате они не превышали общей концентрации добавки в смеси. С другой стороны, найденные значения С5 обеспечивают обнаруженный рост прессовок при условии, что диффузия атомов титана из жидкой фазы в медь предшествует растворению ее частиц в расплаве и сопровождает этот процесс. Возникновение превалирующего потока атомов из твердой фазы в жидкую фазу с самого установления их контакта, если бы оно было возможным, не может объяснить и обеспечить экспериментально наблюдаемый рост прессовок, даже если после этого будет иметь место диффузия атомов из жидкой фазы в твердую.

Сказанное тем более справедливо при наличии перегруппировки частиц.

С повышением температуры спекания возникает интенсивность растворения титана в твердой фазе, поэтому чем выше температура, тем быстрее С* достигает своего предела. Несмотря на столь интенсивный процесс растворения титана в меди, приводящий к росту, образцы со значительной пористостью претерпевают усадку при высокой температуре спекания. Следовательно, в этих условиях кроме процесса сплавообразования за усадку отвечает и процесс перегруппировки, который оказывается возможным лишь при достаточном количестве жидкой фазы и высокой пористости. При этом коэффициент R, который учитывает этот дополнительный процесс, становится меньше единицы. Надо заметить, что в данной системе величина R зависит не столько от температуры спекания, сколько от концентрации вводимой добавки.

Исходя из того, что параметры С* и R (табл. 1), рассчитанные на основе экспериментальных данных, имеют вполне разумные значения, можно отметить, что уравнение не только удовлетворительно описывает экспериментальную зависимость конечной пористости от начальной, но и в значительной мере раскрывает физику спекания в присутствии жидкой фазы.

Влияние пористости, температуры спекания и концентрации титана на твердость прессовок системы Си-Т

Как было изложено выше, объемные изменения прессовок системы медь-титан не зависят от пористости, но с увеличением концентрации вводимой добавки и температуры спекания они влияют на коэффициент перегруппировки. Установлено, что с повышением пористости твердость пресссвок^свнсштнаео (рис. 20 [4, 5].

сорнсоосоь

Рис. 2. Влияние пористости на твердость прессовок системы Си-Т.

Исходя из этого рисунка для измерения твердости решили подобрать образцы со средней пористостью около 20-30%, так как образцы с большей пористостью имеют низкую твердость, а с низкой пористостью плохую теплопроводность, которая необходима для отвода тепла от абразивного инструмента при его работе.

На рис. 3 показана зависимость твердости прессовок, спеченныр при тсмпнраоурр 850, 90р, 9ес и Ш000С п^и содержооии титмна 1,т,3и 4 ат.% 3.

оирсирпоорп 3-850; Н-900; 3-950; 4-3000С

Рис. 3. Зависимость твердости системы Си-Т. от температуры спекания при содержании СТ.%:

- 1 - 1 ;  - 2 - 2 ; - 3 - 3 ; • -4 - 4 ат.%

Как видно из этого рисунка, большую твердость имеют образцы с концентрацией 4 ат.% титана при всех заданных температурах спекания. Следовательно, можно сказать, что концентрация титана влияет на твердость данной системы. Кроме того, с повышением температуры твердость увеличивается.

Определение температуры спекания системы Си- Т1- алмаз

Исходя из указанного выше для определения температуры спекания нужны 4 образца с исходной пористостью 30%, а концентрация титана 4%, алмазного порошка (20/14) 50% от объема прессовки [4].

Согласно нашим расчетам, на 1 навеску при исходной пористости 30% были взяты:

м (Си-Т.) = 1,2 г м (Си) = 1,163 г м(Т) = 0,037 г м(а/п) = 0,56 г

h (обр) = 0,5 см, D (обр) = 1 см

Полученные навески также прессовали методом двухстороннего прессования и спекали при тех же температурах (850, 900, 950, 10000С).

Спекание начали с высокой температуры (10000С), чтобы найти верхнюю границу режима спекания. При этой температуре алмаз превратился в графит, образец стал рыхлым. В последующих опытах спекание проводили при 950, 900,8500С и было установлено, что при этих температурах образцы сохраняют свою форму и дают неплохую твердость (рис. 4). Однако наибольшей твердостью обладал абразивный материал, сформированный из металлической связки Си-Т.-алмаз, спеченный при 8500С.

температура спекания 1-850; 2-900; 3-950; 4-1000С

Рис. 4. Влияние температуры спекания на твердость абразивного материала на основе Си - 4 ат.% Ті-алмаз

Влияние дисперсности и концентрации алмазного порошка на механические свойства материала Си-Ті-алмаз

Для изучения зависимости твердости от дисперсности алмазного порошка мы изготовили образцы высотой

5 мм. Образцы изготавливались на основе металлической связки Си - Ті и алмазного порошка с зернистостью АСН10/7, АСН20/14, АСН40/28 [5, 6].

Для того, чтобы рассчитать массу алмазного порошка, объемная доля которого составляла 50%, брался объем, составляющий половину объема цилиндрического образца с высотой 5 мм. Он равнялся 0,19625 см3 и умножался на 0,425, учитывая исходную пористость 30%. Полученное значение объема умножалось на плотность алмаза

3,6 г/см3 и тем самым исходное содержание алмазного порошка в образце составляло около 1,12 г. Остальную часть 3,26 г составляла металлическая связка Си-Ті, где 4 ат.% Ті составляло 0,09 г, а Си - 3,17 г. Полученный порошок смешивался в смесителе в течение 2 часов. Как показал эксперимент, получение прессовок с минимальной пористостью затруднелось тем, что метатлеческиТ порошок с алмаьныо пдчочіком іфессаегст к тд>чДОм в связи с большой упругостью алмазного морошка, который составлял половину объема.

зердоиткить алмаза 1- 10/7; 2-20/14; 3-40/28 Рис. 5. Влияние зернистости на твердость абразивного материала на основе Си - 4 ат.% Ті

Полученные образцы с п0 = 20% спекались при температуре 8500С в течение одного часа. Выбор температуры определялся сохранностью абразивного материала.

Наибольшей твердостью обладал образец с добавлением алмазного порошка АСН 40/28 (рис. 5). Этот порошок был выбран для дальнейших исследований. Для исследования влияния концентрации алмазного порошка АСН с зернистостью 40/28 на твердость материала на основе Си-Т.-алмаз изготавливались образцы методом прессования и спекания [2, 6].

Образцы, содержащие различную концентрацию алмазного порошка, имели разную компактную плотность, которая рассчитывалась по известной методике [1]. Согласно этим расчетам, установлено:

- компактная плотность прессовки системы Си - Т

Рк = РТ * РСи / (ПТ I * рСи + ПСи *РТ) рк = 4,5 * 8,9/(0,75 * 8,9 + 0,25 * 4,5)=5,13 г/см3

- компактная плотность прессовки системы медь-Т.-алмаз

Рк(А)= Рк* Рдлм./0,5* Ралм. + 0,5Рк р ,д =5,13*3,4/0,5*3,4+0,5*5,13=4,08 г/см3.

к

Исходя из этих данных рассчитана масса навесок (табл. 2).

Таблица 2

Расчет массы навесок в зависимости от концентрации

алмазного порошка зернистостью 40/28 марки АСМ

Соотношение металлической связки и алмазного порошка в% Масса навески Си -Ті (г) Масса навески АСМ 40/28 (г) Масса наве- ски

50% Си - Ті 50% АСМ 40/28 3,27 1,12 4,38

62,5% Си - Ті 37,5% АСМ 40/28 3,44 0,84 4,38

75% Си - Ті 25% АСМ 40/28 3,705 0,56 4,38

87,5% Си - Ті 12,5% АСМ 40/28 4,10 0,28 4,38

Результаты измерения показали, что твердость прессовок на основе Си - 4 ат.% Ті без содержания алмаза равна 19Н15Т. При увеличении содержания алмазного порошка значение твердости увеличивается до 30Н15Т (рис. 6).

Это обтяемяется тем, ото клмае, буручн налам звеч" дым минералоч, чриваоеат свою чветдосаь у тнеддосчь абразив ногк мттечосла, чет чокечьиает Н4 трлчную ламсь еталлической связки с алмазным порошком.

ккдаедтчааор аамаздкок печива С,% 1-0; 2-12,5; 3-25; 4-37,5; 5-50%

Рис. 6. Влияние концентрации алмазного порошка на твердость абразивного материала на основе Си - 4 ат.% Ті-алмаз

Результаты испытаний на изиос образиов с рршчной дисперсностью и назличным сидео-оинем нлмнзинго по -рошка, показаны на рис. 7 и 8.

нниничннчнь порошка р - р 0/7; и - 20/Р4; 3 -40/28.

Рис. 7. Зависимость потери массы абразивного материала (1) и контртела (2) от ззримстьсти ьшмазного ппрошка

нниничннчнь пнрншкл С.%: Р-РГ,5; 2-25; 3-37,5; 4-50.

Рис. 8. Зависимость потери массы абразивного материала (1) и контртела (2) от зернистости алмазного порошка

Как видно из рис. 7, 8, износ абразивного материала растет с увеличением зернистости алмазного порошка. Это объясняется уменьшением его концентрации, который своим присутствием привносил в общую твердость абразивного материала свою твердость алмаза. Возможно, на твердость абразивного материала будет влиять и зернистость алмазного порошка, так как качество сцепления металлической матрицы не определяется только концентрацией.

На основе полученных результатов испытаний мы провели расчет потери массы абразивного материала и контртела (табл. 3).

Как видно из табл. 3, с уменьшением содержания алмазного порошка износ абразивного материала увеличивается, контртела уменьшается. Это объясняется тем, что уменьшение твердой составляющей в абразивном материале не препятствует потере ее масс, а шлифующий материал, не испытывая трения, почти не изнашивается. Расход алмазного сырья напрямую связан с потерей массы абразивного материала и составляет примерно 0,05-

0,1 карат.

Наименьшая потеря образца наблюдалась при концентрации 50%. Это объясняется тем, что алмазный по-

рошок почти соизмерим с размерами металлического порошка, дисперсность которого составляла 50 мкм. Следовательно, каждая частица алмазного порошка окружена металлической связкой, которая и удерживает ее определенное время в приповерхностном слое.

Таблица 3

Расчет потери массы абразивного материала и контртела при износе

Концентрация алмазного порошка с зернистостью 40/28 % Масса образца до износа м, гр а с о н з из е л с о 2 & зм а р б о а с с Мас а зца а р б о § & Е * я р тер о С аният пы исп о * & нт § а с с Мас аният пы исп е л с § & § £ те нт Э а с с 1 Потеря массы контртела м, гр

12,5 2,359 2,330 0,029 146,712 146,693 0,015

25,0 2,320 2,305 0,015 146,671 146,653 0,018

37,0 2,267 2,255 0,012 146,653 146,619 0,034

50,0 2,172 2,165 0,007 146,619 146,578 0,041

Зернистость алмазного порошка % Масса образца до износа м, гр Масса образца после износа м, гр а зца а р б о § & Е * я р тер о По ания т пы исп о д й & й 2 & 8 а с асс Ма Масса контртела после испытания м, гр а л тел трт н 8 в & § * я р тер о По

10/7 4,139 4,130 0,009 146,865 146,861 0,004

20/14 3,727 3,700 0,027 146,861 146,839 0,022

40/28 4,225 4,190 0,035 146,839 146,808 0,031

Выводы

1. При увеличении температуры спекания от 850 до 10000С прессовки претерпевают рост независимо от их исходной пористости.

2. Оптимальная температура спекания системы Си -4 ат.% Тьалмаз составляет 8500С.

3. Высокой твердостью обладают абразивный материал на основе Си - 4 ат.% Тьалмаз с дисперсностью алмазного порошка 40/28.

4. Наилучшие трибологические свойства наблюдаются у образцов, сформированные на основе Си - 4 ат.% Ть алмаз в равных долях металлической связки с алмазным порошком с дисперсностью 40/28 АСН.

Л и т е р а т у р а

1. Романов Г.Н., Емельянова М.А., Бочкарев Р.Н. Порошковая металлургия: методические указания по выполнению лабораторных работ по порошковой металлургии. - Якутск: Изд-во ЯГУ, 1995. - 58 с.

2. Механические свойства металлов: учебник для вузов / Под. ред. Золоторевского В.С. - М.: Металлургия, 1983. - 352 с.

3. Савицкий А.П. Жидкофазное спекание систем с взаимодействующими компонентами. - Новосибирск: Наука, 1991. -181 с.

4. Романов Г.Н., Емельянова М.А., Тарасов П.П. Порошковая металлургия: методическое пособие. - Якутск: Изд-во ЯГУ, 2002. - 96 с.

5. Андриевский РА. Введение в порошковую металлургию. - Фрунзе: Илим, 1988. - 174 с.

6. Васильев Л.А., Белых З.П. Алмазы, из свойства и применение. - М.: Недра, 1983. - 101 с.

M.A. Yemelyanova, G.N. Romanov, I.I. Noyev

Abrasive formation on a basis of copper-titanium-diamond

The authors research the possibility of abrasive formation on a basis of copper-titanium-diamond based on classical idea about volume changes of powder bodies during solid phase sintering. Articles made by using method of powder metallurgy did not change their form and size. This helped their future treatment. The best qualities had samples containing metal binding and diamond powder.

Key words: system, mixture, mould, porosity, sintering, solidity, diamond, abrasive.