Анализ влияния технологии получения лигатурных брикетов – псевдолигатур, состоящих из порошка-носителя и смеси нанопорошков модифицирующей фазы при увеличенном содержании последней. Физические и технологические свойства исследуемых порошковых смесей.
При низкой оригинальности работы "Получение нанопорошковых псевдолигатур cu-aln для модифицирования алюминиевых сплавов", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
ПОЛУЧЕНИЕ НАНОПОРОШКОВЫХ ПСЕВДОЛИГАТУР CU-ALN ДЛЯ МОДИФИЦИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВПриводятся результаты исследования механического смешивания и последующего компактирования порошковой смеси порошка - носителя электролитической меди (Cu) с размером частиц 20…100 мкм с нанопорошковой композицией - модификатором нитрида алюминия (ALN) - 65 % и гексафторалюмината натрия (Na3ALF6) - 35 % с размером частиц до 100 нм, полученной по азидной технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Исследовались порошковые композиции, содержащие 2,5…5 % (масс.) модификатора. Приготовление исследуемых порошковых смесей Cu-ALN осуществлялось механическим смешиванием в планетарной центробежной мельнице «Пульверизетте-5» и смесителе типа «пьяная бочка» в течение 60 мин со скоростью 150 и 45 об/мин соответственно. Исследован химический состав полученных порошковых композиций. Формирование лигатурных брикетов - нанопорошковых псевдолигатур из композиций состава Cu-ALN с различным содержанием дисперсного модификатора осуществлялось одноосным холодным прессованием в цилиндрической пресс-форме на гидравлическом прессе ПСУ-50 с давлением прессования 19…23 МПА.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]. 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]. 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. 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.Получены порошковые смеси с порошком-носителем Cu, содержащие от 2,5 до 5 мас. 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.
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 (Na3ALF 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, ?С 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 ?прессовки - расчетная плотность прессовки, г/см3;
?компакт. - плотность компактного материала, г/см3.
Расчетную плотность прессовок определяли методом гидростатического взвешивания по формуле [18]
, (2) где ?в - 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] брикет лигатурный смесь порошковый
(3) где с1, с2 - весовые концентрации элементов в порошковой смеси, %;
?1, ?2 - компактная плотность элементов в порошковой смеси, г/см3.
Пористость полученных брикетов рассчитывали по формуле [11, 16, 17]
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 Cu-2,5%ALN, смешивание в «пьяной бочке»;
б - порошок Cu-5%ALN, смешивание в «пьяной бочке»;
в - порошок Cu-2,5%ALN, смешивание в «Пульверизетте-5»;
г - порошок Cu-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.
Вывод
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.
Список литературы
1. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. - 2015. - № 1. - С. 3-33.
2. Повышение надежности силовых IGBT-модулей с помощью высоконаполненного МКМ системы Al - SIC / Е.Н. Каблов, Б.В. Щетанов, А.А. Шавнев [и др.] // Авиационные материалы и технологии. - 2010. - № 4. - С. 3-6.
3. Теплофизические свойства композиционных материалов на основе алюминиевого сплава с высоким содержанием карбидной фазы SIC / Ю.В. Лощинин, А.А. Шавнев, А.Н. Няфкин, С.И. Пахомкин, М.Г. Размахов // Материаловедение. - 2015. - № 12. - С. 48-52.
4. Модифицирование материалов и покрытий наноразмерными алмазосодержащими добавками / П.А. Витязь, В.И. Жорник, В.А. Кукареко, А.И. Комаров, В.Т. Сенють. - Минск: Белорусская наука, 2011. - 522 с.
5. Получение композитов на основе алюминия и шунгита в условиях высоких давлений / П.А. Витязь, А.Ф. Ильющенко, А.Г. Колмаков, В.Т. Сенють, М.Л. Хейфец, И.Н. Черняк // Материаловедение. - 2015. - № 10. - С. 34-37.
6. Чернышова Т.А., Кобелева Л.И., Болотова Л.К. Дискретно армированные композиционные материалы с матрицами из алюминиевых сплавов и их трибологические свойства // Металлы. - 2001. - № 6. - С. 85-98.
7. Михеев Р.С., Чернышова Т.А. Дискретно-армированные композиционные материалы системы Al-TIC (обзор) // Заготовительные производства в машиностроении. - 2008. - № 11. - С. 44-53.
8. Крушенко Г.Г. Средства и технологии увеличения содержания нанопорошков в алюминиевых модифицирующих прутках // Нанотехника. - 2011. - № 3. - С. 55-61.
9. Крушенко Г.Г. Модифицирование доэвтектического алюминиево-кремниевого сплава нанопорошком нитрида титана при литье сложнонагруженных деталей транспортного средства // Технология металлов. - 2008. - № 11. - С. 5-7.
10. Крушенко Г.Г. Роль частиц нанопорошков при формировании структуры алюминиевых сплавов // Металлургия машиностроения. - 2011. - № 1. - С. 20-24.
11. Кузина А.А. Получение нанопорошковых псевдолигатур Cu-(SIC Si3N4) для модифицирования и армирования алюминиевых сплавов // Известия вузов. Цветная металлургия. - 2016. - №. 5. - С. 78-84.
12. Получение наноструктурированного порошка нитрида алюминия по технологии СВС-Аз / Ю.В. Титова, Л.А. Шиганова, Д.А. Майдан, Г.В. Бичуров // Заготовительные производства в машиностроении. - 2013. - № 7. - С. 42-45.
13. Самораспростряняющийся высокотемпературный синтез наноструктурированного порошка нитрида алюминия с использованием фторида алюминия и азида натрия / Г.В. Бичуров, Д.А. Майдан, Л.А. Кондратьева, Ю.В. Титова // Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. - 2012. - № 3. - С. 25-29.
14. Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1970. - 364 с.
15. Порошковая металлургия. Спеченные и композиционные материалы / Б. Финдайзен, Э. Фридрих, И. Калнинг, А. Мерц, К. Мюллер, Г. Рэбш, Х. Зауэр, В. Шарфе, В. Шатт. - М.: Металлургия, 1983. - 520 с.
