THE OBTAINING NANOPOWDER PSEUDO-LIGATURES CU-ALN FOR MODIFICATION OF ALUMINUM ALLOYS

Full Text

Введение Композиционные материалы, обладающие низкой плотностью, высокой температурой эксплуатации, высокими прочностными характеристиками, химической инертностью и коррозионной стойкостью, а также возможностью изготовления из них деталей сложной формы, находят широкое применение в изделиях авиационной и космической техники. Управление гетерогенной структурой материала открывает широчайшие возможности изменения в широких пределах физико-химических и термомеханических свойств (плотность, температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), теплопроводность, прочность, модуль упругости и др.) [1-3]. Традиционные методы улучшения физико-механических свойств композиционных машиностроительных материалов и сплавов в значительной мере достигли своего предела. Резерв повышения характеристик материалов состоит в целенаправленном формировании в них наноструктуры, например путем введения в матрицу наноразмерных модифицирующих добавок [4, 5]. Таким образом, развитие в области создания материалов с высокими эксплуатационными свойствами невозможно без порошковых высокотемпературных материалов, среди которых принято выделять тугоплавкие металлы, твердые тугоплавкие соединения, керамикометаллические (керметы), упрочненные дисперсными включениями и армированные волокнами материалы [3]. Как известно, в изделиях современной техники широко используют алюминий и его сплавы. Конструкторов привлекают их низкий удельный вес, высокие пластические свойства, коррозионная стойкость, технологичность. Понятен интерес к опробованию таких материалов в качестве матриц дискретно армированных композиционных материалов. Введение в сплавы алюминия высокопрочных частиц обеспечивает повышенные удельные прочность и жесткость, высокую демпфирующую способность, износостойкость и трибологические свойства при сохранении высокой электро- и теплопроводности и малого удельного веса. Введение в алюминиевую матрицу небольшого количества керамических частиц (2…10 % об.) вызывает улучшение механических характеристик композиционных материалов в широком интервале температур [6, 7]. В последние годы широкое применение в качестве модификаторов получили нанопорошки. Однако существующие способы введения в расплавы порошкообразных добавок не могут использоваться для нанопорошков вследствие их особых свойств по сравнению с более крупными порошками: наночастицы легко «слипаются», их окисление начинается при сравнительно низких температурах, они плохо смачиваются жидким расплавом [8-11]. Поэтому необходимы эффективные способы получения компактных материалов, содержащих наночастицы тугоплавких соединений, для последующего введения их в алюминиевые расплавы с целью модифицирования. Таким образом, целью данной работы было исследование влияния технологии получения лигатурных брикетов - псевдолигатур, состоящих из порошка-носителя и смеси нанопорошков модифицирующей фазы (AlN+35%Na3AlF6) при увеличенном содержании последней. Материалы и методы исследования Исследовали компактирование порошковой смеси, состоящей из компонентов: металлического порошка Cu - носителя и порошка нитрида алюминия, свойства которых приведены в табл. 1. В качестве материала - носителя псевдолигатуры был выбран порошок электролитической меди с размером частиц 20…100 мкм (рис. 1а), имеющей высокую плотность (8,7 г/см3) по сравнению с алюминиевым расплавом (2,7 г/см3) и используемой в качестве легирующего компонента для алюминиевых сплавов [11]. В качестве дисперсного модифицирующего порошка использовали композицию порошков нитрида алюминия (AlN) и гексафторалюмината натрия (Nа3АlF 6) - 35 %, полученных по азидной технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, с размерами частиц до 100 нм (рис. 1б) [12, 13]. В данной порошковой смеси криолит Na3AlF6 является типичным флюсом для рафинирования и модифицирования расплавов алюминиевых сплавов и может способствовать введению керамических микро- и нанопорошков в расплав алюминия, а также защите расплава от окисления и насыщения водородом [11]. Механическое смешивание проводили в планетарной мельнице «Пульверизетте-5» и смесителе типа «пьяная бочка» в течение 60 мин со скоростью 150 и 45 об/мин соответственно. В качестве мелющих тел использовали твердосплавные шары диаметром 10 мм. Соотношение массы шаров к массе порошковой смеси 10:1. Для лучшего перемешивания размольную гарнитуру заполняли на 1/3 объема. Однородность смешивания оценивали произвольно взятыми пробами. Шихту считали однородной, если не менее 95 % произвольно взятых проб имеют почти одинаковые химический и гранулометрический составы [11]. Таблица 1 Свойства компонентов псевдолигатуры [14, 15] Элемент, химическое соединение Температура плавления, ºС Плотность ·103, кг/м3 Модуль упругости, МПа Коэффициент термического расширения ·10-6, К-1 Cu 1083 8,92 110000 16,6 AlN 2400 3,05 - 4,3 Грансостав порошков определяли на лазерном анализаторе размера частиц Analysette 22 Compact, химический состав порошков - с помощью энергодисперсионного детектора микрорентгеноспектрального анализа INCAx-act на микроскопе TESCAN Vega SB, насыпную массу порошков - с помощью волюмометра, сыпучесть порошков - методом Холла. Компактирование порошковых смесей Cu-AlN осуществлялось одноосным холодным прессованием в цилиндрической пресс-форме с внутренним диаметром 25 мм, высота брикетов составляла до 2 мм, масса - 2,5 и 5 г. Давление прессования изменяли от 19 до 23 МПа. а б Рис. 1. Поверхность частиц: а - порошок меди; б - порошок нитрида алюминия, ×500 Относительную плотность полученных псевдолигатур определяли по формуле [11, 16, 17] (1) где γпрессовки - расчетная плотность прессовки, г/см3; γкомпакт. - плотность компактного материала, г/см3. Расчетную плотность прессовок определяли методом гидростатического взвешивания по формуле [18] , (2) где ρв - плотность воды при комнатной температуре, г/см3; Gвоз - вес прессовки на воздухе, г; Gв - вес прессовки в воде, г. Компактную плотность гетерогенной смеси нескольких порошков определяли по формуле [11, 16, 17] (3) где с1, с2 - весовые концентрации элементов в порошковой смеси, %; γ1, γ2 - компактная плотность элементов в порошковой смеси, г/см3. Пористость полученных брикетов рассчитывали по формуле [11, 16, 17] , (4) где П - пористость материала, %; θ - относительная плотность, %. Результаты исследования и их обсуждение В табл. 2 и 3 представлены химический состав и некоторые физические и технологические свойства полученных после размола смесей порошков. Таблица 2 Химический состав исследуемых порошковых смесей Порошковая смесь Тип смесителя Состав порошковых смесей, % (вес.) N O Al Cu F Cu-2,5%AlN «Пьяная бочка» 0,23 0,21 0,69 98,87 - Cu-5%AlN «Пьяная бочка» 0,18 0,6 0,34 98,88 - Cu-2,5%AlN «Пульверизетте-5» - - 1,0 97,38 1,62 Cu-5%AlN «Пульверизетте-5» 0,25 1,08 1,81 93,68 3,17 Таблица 3 Физические и технологические свойства исследуемых порошковых смесей Порошковая смесь Тип смесителя Средний размер порошковых частиц, мкм Плотность, г/см3 Насыпная масса, г/см3 Cu-2,5%AlN «Пьяная бочка» 15…75 8,5 1,5 Cu-5%AlN «Пьяная бочка» 15…70 8,14 1,5 Cu-2,5%AlN «Пульверизетте-5» 12…40 8,5 2,9 Cu-5%AlN «Пульверизетте-5» 10…35 8,14 2,6 Согласно произвольно взятым пробам на химический (см. табл. 2) и гранулометрический (см. табл. 3) составы, порошковые компоненты почти равномерно распределены по объему полученной порошковой композиции при смешивании в планетарной мельнице «Пульверизетте-5». Поскольку смешивание исходных порошковых компонентов проводилось «всухую», наблюдается незначительное газонасыщение порошковых частиц (см. табл. 2). При одинаковых режимах механического смешивания с увеличением содержания дисперсных включений (AlN+35%Na3AlF6), распределенных между частицами Cu, наблюдается уменьшение среднего размера порошковых частиц в исследуемых композициях. Наибольшее уменьшение среднего размера порошковых частиц наблюдается в композициях Cu-AlN, полученных смешиванием в планетарной мельнице «Пульверизетте-5». Наибольшее значение плотности гетерогенной смеси порошков в компактном состоянии наблюдается у составов Cu-2,5%AlN, полученных смешиванием в «Пульверизетте-5» и «пьяной бочке», что объясняется меньшей весовой концентрацией фазы-упрочнителя в этих порошковых смесях. Этим фактором объясняется и большее значение насыпной массы, которое наблюдается в порошковой смеси состава Cu-2,5%AlN, полученной смешиванием в планетарной мельнице, с равномерным распределением дисперсных модифицирующих порошковых частиц нитрида алюминия. Однако все исследуемые порошковые композиции не обладают сыпучестью, поэтому в брикетах наблюдается незначительная неоднородность по плотности. На рис. 2 представлены полученные после смешивания порошковые смеси исследуемых составов. а б в г Рис. 2. Микрофотографии частиц порошковой смеси в насыпном состоянии: а - порошок Сu-2,5%AlN, смешивание в «пьяной бочке»; б - порошок Сu-5%AlN, смешивание в «пьяной бочке»; в - порошок Сu-2,5%AlN, смешивание в «Пульверизетте-5»; г - порошок Сu-5%AlN, смешивание в «Пульверизетте-5», ×500 Анализ поверхностей частиц смеси порошков (см. рис. 2) показывает, что частицы нанопорошка почти равномерно распределены по объему матрицы, однако встречаются незначительные скопления отдельных конгломератов. На рис. 3 представлены зависимости пористости компактов (П) из порошковых смесей состава Cu-AlN в зависимости от давления прессования (Р). Согласно рис. 3, наибольшей плотностью обладает компакт состава Cu-2,5%AlN (смешивание в «пьяной бочке»), полученный прессованием с удельным давлением 23 МПа; наибольшая пористость наблюдается в компакте состава Cu-5%AlN (смешивание в «пьяной бочке»), полученном прессованием с удельным давлением 19 МПа. Таким образом, значительный рост сопротивления деформации при прессовании исследуемых порошков обусловлен наклепом меди, а содержание примесей в контактных участках существенно затрудняет разупрочнение порошкового материала [11]. Рис. 3. Зависимость пористости (П) компактов от давления прессования (Р): 1 - порошок Cu-2,5%AlN, смешивание в «Пульверизетте-5»; 2 - порошок Cu-2,5%AlN, смешивание в «пьяной бочке»; 3 - порошок Cu-5%AlN, смешивание в «Пульверизетте-5»; 4 - порошок Cu-5%AlN, смешивание в «пьяной бочке» На рис. 4 представлены микроструктуры псевдолигатур, прессованных при давлении 19 МПа. а б в г Рис. 4. Микроструктура прессованных псевдолигатур диаметром 25 мм и массой 2,5 г состава: а - порошок Cu-2,5%AlN, смешивание в «Пульверизетте-5»; б - порошок Cu-2,5%AlN, смешивание в «пьяной бочке»; в - порошок Cu-5%AlN, смешивание в «Пульверизетте-5»; г - порошок Cu-5%AlN, смешивание в «пьяной бочке», × 500 Из рис. 4 видно, в структурах прессованных материалов из порошковых композиций, полученных смешиванием в планетарной мельнице «Пульверизетте-5», модифицирующие частицы нитрида алюминия распределены почти равномерно по объему матрицы - меди. В компактах из порошков, полученных смешиванием в «пьяной бочке», наблюдается значительное скопление отдельных частиц нитрида алюминия, что говорит о неравномерном смешивании. Также в структурах полученных компактов наблюдаются поры, что является необходимым в технологии получения псевдолигатур, поскольку наличие пор облегчит растворение брикета при последующем введении его в алюминиевый расплав. Заключение Получены порошковые смеси с порошком-носителем Cu, содержащие от 2,5 до 5 мас. % модификатора (AlN+35%Na3AlF6). Определены свойства полученных механическим смешиванием порошков. Насыпная масса порошковых композиций, полученных в смесителе «пьяная бочка», содержащих 2,5 и 5 мас. % AlN, составляет 1,5 г/см3 при плотностях 8,5 и 8,14 г/см3 соответственно, а порошковых смесей, полученных в планетарной мельнице «Пульверизетте-5», с содержанием 2,5 мас. % AlN - 2,9 г/см3 при плотности 8,5 г/см3 и с содержанием 5 мас. % AlN - 2,6 г/см3 при плотности 8,14 г/см3. Получение порошковых композиций Cu-AlN, предназначенных для изготовления нанопорошковых лигатурных брикетов-псевдолигатур, целесообразно проводить в планетарной мельнице во избежание скопления отдельных частиц модифицирующей фазы, т. е. образования конгломератов. Из полученных порошков одноосным холодным прессованием выполнены нанопорошковые псевдолигатуры массой 2,5 и 5 г с пористостью 13...42 % при давлении прессования 19…23 МПа. Использование нанопорошковых псевдолигатур Cu-AlN, полученных способами порошковой металлургии с изменением состава и соотношения компонентов и выбором технологии производства, для модифицирования алюминиевых сплавов позволяет получать материалы с требуемыми свойствами. Авторы выражают благодарность д.ф.-м.н., профессору Амосову Александру Петровичу за помощь, оказанную при подготовке статьи.

About the authors

Antonina A Kuzina

Samara National Research University (Samara University)

Assistant. 34, Moskovskoe Shosse, Samara, 443086, Russian Federation

Yulia V Titova

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor. 244, Molodogvardeyskaya St., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files