炭素

Scientific Reports volume 12、記事番号: 17850 (2022) この記事を引用

770 アクセス

1 引用

メトリクスの詳細

この論文は、水アトマイズ鉄粉の焼結助剤として使用される鉄ナノ粉に対する炭素コーティングの影響を調査しています。 このようなコーティングのない鉄ナノ粉末は、炭素コーティングの影響を分離するための基準焼結助剤として使用されました。 両方のナノパウダーのバリアントは、XPS と HRTEM を使用して特性評価されました。 結果は、両方のバリアントのコアシェル構造を示しました。 鉄ナノ粉末は厚さ 3 ～ 4 nm の酸化鉄層で覆われており、炭素被覆鉄ナノ粉末は数ナノメートルの炭素層でカプセル化されています。 純粋な水素環境で行われた熱重量測定では、炭素被覆鉄ナノ粉末では複数のピークの挙動が示されますが、鉄ナノ粉末では単一ピークの挙動が観察されます。 ナノ粉末を水アトマイズ鉄粉末と混合することにより、2 種類のマイクロ/ナノビモーダル粉末が得られました。 炭素被覆鉄ナノ粉末を添加すると、焼結中の線形収縮の改善が観察されました。 これは、カーボンコーティングによってナノ粉末の表面拡散が減少し、ナノ粉末が高温で焼結できるようになり、緻密化が向上するためと説明できます。 炭素と酸素の分析、密度測定、光学顕微鏡検査、JMatPro 計算も実行されました。

プレスおよび焼結は粉末冶金 (PM) 製造ルートであり、一軸圧縮などの成形技術を使用して金属粉末を必要な形状に加工し、その後、圧縮材料を焼結して用途に使用できるようにします。 焼結中に部品が加熱されるため、金属粒子が互いに結合し、必要な強度が得られます。 得られる強度はコンポーネントの密度に比例します1。 したがって、PM コンポーネントの特性を改善し、その応用範囲を広げるには密度を向上させることが不可欠です。 密度は、焼結助剤を添加するなど、さまざまな方法で改善できます。 ナノパウダーはそのような焼結助剤の 1 つであり、焼結に必要な活性化エネルギーを低下させることが知られています 2,3。 金属射出成形（MIM）の分野ではナノパウダーの添加が研究されており、特性の向上が観察されています4。

ナノ粒子は、サイズに依存する独特の特性を持っています。これは、カウンターバルク材料と比較して、これらの材料の表面に存在する原子の割合が大きいことに起因すると考えられます。 これらのユニークな特性は、化学分析、マイクロエレクトロニクス、生物学的センサー、その他の機能的用途などの分野での応用に活用されています7、8。 ただし、ナノ粒子がこれらの用途で役立つためには、ナノ粒子が安定であり、そのサイズを維持することが重要です。 表面対体積比が大きいため、過剰な表面エネルギーが発生します。 したがって、それらは凝集する傾向が強く、加工性が大幅に変化します。 ナノ粉末は炭素でコーティングすることができ、これによりナノ粒子の凝集や合体が防止されます。 カーボンコーティングされた鉄ナノ粉末は、磁気データストレージ、ゼログラフィーの磁性トナー、磁気共鳴イメージングの造影剤、触媒担体、薬物および遺伝子送達システムなどの用途に使用されています9、10、11、12、13。 さらに、炭素コーティングは炭素源を提供しますが、そうでない場合は、焼結鋼の凹んだ最終組成を設定するために炭素源を別途添加する必要があります14。

以前の研究で、著者らは水アトマイズ鉄粉に焼結助剤として純鉄ナノ粉末を添加することを検討しました15。 焼結曲線は、これらのマイクロ/ナノ二峰性粉末成形体の焼結挙動に対するナノ粉末の添加の顕著な影響を明らかにした。 温度の上昇に伴う焼結ネックの発生を追跡するために断続的な温度で行われた焼結実験と、その後の成形体の破面解析により、ナノ粉末の焼結はマイクロメートル単位の焼結の開始よりも低い600℃という低い温度で行われることが明らかになりました。大きめのベースパウダー。 水アトマイズ鉄粉の線収縮は、焼結助剤として鉄ナノ粉末を添加することにより改善されたが、さらなる改善が必要である。 これは、現在使用されていない、性能の向上が必要な領域で、ほぼフル密度のプレスおよび焼結 PM 部品を適用できるようにするためです。 ほぼ完全な密度を達成するには、熱間静水圧プレス (HIP) が採用されます。 カプセルフリーの HIP を可能にするには、閉じた気孔率 (理論密度 95%) またはそれに近い気孔率が必要です。 この研究は、水アトマイズ鉄粉の密閉気孔率を達成するための焼結助剤としてナノ粉末を使用する効果を測定するためのより大きな枠組みの一部です。