Интерметаллические соединения и способы их обработки Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

----------------------------------- © О.Б. Сильченко, И.В. Кривченкова,

2010

УДК 621.7

О.Б. Сильченко, И.В. Кривченкова

ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ И СПОСОБЫ ИХ ОБРАБОТКИ

Посвящена интерметаллическим соединениям и способам их обработки. Свойства таких соединений сильно отличаются от металлов, которые их составляют. Данные сплавы характеризуются повышенной хрупкостью и твердостью. Процесс их обработки вызывает большие трудности. Также эти соединения обладают различными цветами. Изменяя процентное содержание, мы получать те или иные цвета. В статье описаны сплавы золота и индия, золота и алюминия, палладия и индия. Их состав представлен на диаграммах состояния. Рассмотрены альтернативные способы создания цветных золотых сплавов. Приведены сравнительные характеристики различных методов обработки.

Ключевые слова: интерметаллические соединения, процентное содержание, сплав, цветные золотые сплавы, обработка, высокая твердость, повышенная хрупкость, диаграмма состояния.

Семинар №2

нтерметаллические (или меж-металлические) составы являются отдельной группой веществ. Свойства таких соединений сильно отличаются от металлов, которые их составляют. Интерметаллический состав определяется промежуточной фазой в системе сплава. Данные фазы представлены на диаграммах состояния, характеризующих процентное содержание входимых компонентов, а также, в ряде рассматриваемых случаев, и цвет сплава. Такие сплавы имеют узкий диапазон однородности и относительно простые стехиометрические пропорции. Обычно эти соединения обладают повышенной хрупкостью, что делает их применение в промышленности фактически невозможным.

Самый известный среди таких составов - сплав золота и алюминия АиА12, который образован в пропорциях 79%Аи и 21%А1. Данный сплав имеет более высокую точку кипения и температуру плавления (около 1060 °С), чем его элементы.

Это указывает на термодинамическую стабильность состава и, как следствие, подобные сплавы с трудом поддаются механической обработке.

Сплав АиА12 обладает насыщенным фиолетовым цветом. Хотя, в зависимости от процентного содержания золота и алюминия, цвет может варьироваться от слабо сиреневого до насыщенного фиолетового. Фиолетовый оттенок сохраняется при уменьшении алюминия в составе до 15%, однако такой сплав будет двухфазным, то есть включать в себя лиловое соединение и обогащенный алюминием твердый раствор. Такие нестехиометрические сплавы менее хрупкие по своим механическим свойствам, но и цвет их менее яркий.

Диаграмма фазы Аи-А1 (Рис.1) состоит из множества межметаллических соединений, такой состав имеет пять состояний: Аи4А1, Аи5А12, Аи2А1, АиА1 и АиА12. Исследования, проводимые на биметаллических системах, показали, что первоначально образуется формы

Рис. 1. Диаграмма фазы Au-Al

Аи2А1 и Аи5А12, а в заключительной фазе равновесия - АиА12. Различные нормы распределения алюминия и золота приводят к образованию пустот Киркенделла и, следовательно, к повышенной пористости, что в конечном итоге, может привести к разрушению соединения. Этот механический отказ был назван «фиолетовой чумой». Однако, хотя сплав является хрупким, его заключительная фаза равновесия АиА12 устойчива и не распадается при термообработке.

Также интерметаллическое соедине-ие АиА12 характеризуется низкой ударной вязкостью. Испытания твердости по Роквеллу В с применением 100 кг нагрузки показали неспособность данного соединения выдерживать эту нагрузку без разрушения. Соединение не выдерживает даже применение 60килограммового груза. Состав, подвергаемый испытаниям, содержал 78,5% золота и 21,5% алюминия.

Нагрузка по Роквеллу в 100 кг является эталонной мерой испытания пригодно-

сти, так как если сплав слишком хрупкий, то он не пройдет данное испытание. Для многих изделий с применением интерметаллического соединения AuAl2 ударная вязкость становится необходимым условием.

Вопросами повышения прочности сплава AuAl2 занимались ученые Японии, Америки. Согласно патенту JP 6130642 японской фирмы Tokuriki Honten Pte Ltd единственный способ преодолеть проблему ломкости- понизить процентное содержание золота до 75%, используя от 20 до 24,5% алюминия, в то же время вводя от 0,5-5% одного из двух дополнительных компонентов. Такие компоненты выбираются из группы: кремний, магний, медь, цинк и марганец. Также планку ударной вязкости поднимает введение таких дополнительных элементов как палладий и никель. При этом основной фиолетовый оттенок сплава не теряется.

Как может быть замечено по диаграмме состояния Au-Al, уменьшение

Аи Атомное процентное содержание индия 1л

Рис. 2. Диаграмма фазы Аи-1п

содержания золота ниже 78.5 % в системе AuAl, дает начало сосуществованию двух структур - АиА12 интерметаллического соединения (и эвтектической структуры А1) и АиА13 - в том же самом образце. Таким образом, после медленного охлаждения от фазы расплава или отжига быстро отвердевших образцов, осаждение богатой алюминием эвтектической фазы на внешних поверхностях приводит к разложению фиолетово цвета. Даже если быстро отвердевшие образцы не отожжены, подобное обесцвечивание может также произойти после изготовления и полирования изделий и, возможно даже, после длительного времени использования, хотя по намного более медленной норме. Твердость эвтектической точки и фазы АиА12 также значительно ниже (приблизительно 10 % для сплава, содержащего 75% золота и 25% алюминия), чем у АиА12 - интерметаллического соединения. По этим

двум причинам коммерческая жизнеспособность сплава ограничена.

Кристаллическая структура сплава АиА12 была определена в 1934 году на примере простой кубической структуры

CaF2.

Другим известным интерметаллическим соединением является сплав Аи1п2. Сплав золото-индий формируется при процентном содержании золота 46% и содержании индия 54%. У данного состава сходная с фиолетовым золотом кристаллическая стру-ктура, основывающаяся на опытном образце CaF2. Аи1п2 (46% золота) имеет температуру плавления 540.7 °С. Это нестехиометрическое соединение, также как лиловое золото, является двухфазовым и поэтому от него можно ожидать определенного запаса прочности и технологичности. Технология обработки также аналогична технологии обработки лилового золота. Цвет получаемого сплава варьируется от

Палладий 60 58 56 54 52 50 48 46 44 42 40

Индий 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60

(ралп) (1-5) (1.4) (1.3) (1.2) (1.1) (Ь0) (0.9) (0.9) (0.8) (0.7) (0.7)

Цвет желтый желтый желтый Светло Розово Светло Слегка -V Серый

желтый желтый розово розовый

желтый

слегка голубого («небесно-голубого») до светло синего. Как и в случае с другими интерметалликами состав AuIn2 обладает хрупкостью.

Проходя испытание по Роквеллу B 100 кг нагрузкой, сплав также характеризуется низкой величиной ударной вязкости, сравнимой с соединением AuAl2. На рис.2 показана диаграмма фазы Au-In. Устойчивой фазой является состояние AuIn2, при соответствующем процентном содержании. На рис.2 показана диаграмма фазы Au-In. Устойчивой фазой является состояние AuIn2, при соответствующем процентном содержании.

Ещё одним интерметаллическим соединением, нашедшим широкое примене-

ние в стоматологии (в качестве зубных протезов), является сплав Pd-In. При изменении процентного содержания палладия от 60-44% цвет сплава варьируется от жёлтого (золотого) до жёлто-розового и розового (таблица).

Сплав Pd-In характеризуется высокой однородностью структуры, отсутствием пористости и трещеноватости. Обладает высокой твёрдостью и тугоплавкостью. Русским учёным, академиком Е.М. Савицким рассматривается введение в сплав Pd-]п дополнительных элементов, повышающих его физико-механические свойства. На рис. 3 представлена диаграмма фазы Pd-In.

Как было отмечено ранее, недостатками всех вышеперечисленных соединений являются хрупкость, высокая твёрдость, трудность обрабатывания, сложность в получении. Поэтому они до сих пор не находят широкого применения в промышленности.

Российскими и зарубежными учёными были предложены различные альтернативные способы получения цвета. Они основываются на формировании интерметаллических соединений золота различной окраски непосредственно на поверхности изделия. Этой тематике посвящён ряд патентов: «Получение декоративного материала», Япония, МКИ С 23

Рис. 3. Диаграмма фазы Pd-In

С8/10, С 23 С14/16; «Цветной сплав золота с упрочнённой поверхностью», Япония, МКИ С 22 С5/02.

Способ окрашивания изделия из сплавов на основе золота, включающий создание поверхностного слоя, отличного по цвету от исходного сплава, создаётся путём нагрева в окислительной среде. Так же зарубежными учёными проводились отжиги при минимальных температурах и времени: 700°С, 30 мин. Планировалось, что обработка должна приводить к созданию на поверхности золотого сплава цветной плёнки, состоящей из окислов легирующих сплав компонентов. Обработка по известному режиму сплавов 585 пробы Au-Ag-Cu - 585 - 80 не обеспечивает хорошей адгезии формирующего покрытия и основного сплава. При остывании куски покрытия откалываются, на возникающих при этом открытых участках сплава вновь начинается процесс окисления. В результате, после обработки поверхность сплава неоднородна как по окраске, так и по толщине оксидной плёнки. Более того, существуют участки полностью свободные от окислов. Российские учёные предложили более усовершенствованный способ, отличающийся тем, что нагрев осуществляют в расплаве химических соединений щелочных металлов при температурах 350-650 °С в интервале времени от 15-34 минут (патент RU 2118993).

Как недостаток следует отметить ограниченное количество получаемого цвета, низкая износостойкость, большее использование количественной массы золота. Толщина покрытия получаемого слоя от 4 до 6 мкм. Цвета поверхности после обработки: тёмно-фиолетовый, светло-

зелёный, чёрный, светло-красный. Из этого видно, что в цветовой гамме преобладают чаще оттенки красного и фиолетового, реже жёлтого и зелёного.

Сплавы же золота и палладия с различными металлами дают широкую цве-

товую гамму, но как было сказано выше, являются чрезвычайно непрочными и не пластичными. Чаще всего такого рода соединения можно встретить в виде ювелирных вставок. Но не смотря на свой привлекательный вид интерметаллические сплавы так и не получили широкого применения в ювелирной промышленности. Причиной тому сложность в обработке, вызванная физикомеханическими особенностями данных соединений. За частую проще создать на поверхности готового изделия покрытие в несколько микрон, путем окисления поверхностных слоев, чем механически обработать интерметаллический сплав. Это связано с тем, что привычные методы, применяемые для обработки золотых и палладиевых сплавов не могут быть использованы.

Существует необходимость в создании такого способа обработки, который позволил бы:

- качественно обработать поверхность;

- исключить в процессе работы появление сколов и трещин, негативно влияющих на целостность обрабатываемого образца;

- возможность создавать изделия сложных геометрических форм.

Поставленную задачу можно решить путем нахождения области в которой такого рода соединения можно будет обрабатывать в режиме пластических деформаций без разрушения обрабатываемой поверхности. Для этого авторами данной статьи предлагается, основываясь на исследованиях советских ученных академика Г.В. Ужика, Н.К. Дерте-ва и Л.Ф. Григорьевой, за счет экспериментального нахождения критерия хрупкости Т выявить оптимальный режим для дальнейшей обработки интерметаллических соединений с учетом их физико-механических особенностей.

Это позволит в дальнейшем получать качественно новые изделия с различной сложностью форм, хорошо обработанной поверхностью и меньшей потерей сырья в ходе обработки.

Предлагаемый способ заключается в определении твердости рассматриваемых соединений. Для этого необходимо воспользоваться методом определения микротвердости. Под микротвердостью понимается твердость материала в его микроскопически малых объемах. Преимуществом данного метода является его точность, простота выполнения, возможность работать с образцами малых размеров без их разрушения.

При проведении экспериментальных исследований алмазная пирамида плавно опускается в течении заданного времени (несколько секунд), а образец выдерживается по заранее заданной нагрузкой, измеряемой в граммах. Каждый отпечаток замеряется несколько раз. Для подсчета микротвердости берется средняя длина диагонали 5-10 отпечатков, полученных на образце при заданной нагрузке. Для каждого образца производится несколько измерений при 3-5 различных нагрузках. Применение различных нагрузок позволяет исследовать зависимость микротвердости от глубины вдавливания алмазной пирамиды, т.е. дает некоторое представление о свойствах интересующего нас поверхностного слоя.

В работах академика Г.В. Ужика показано, что прочность можно полностью оценить только с учетом способности материалов оказывать сопротивление разрушению под действием наибольших нормальных напряжений как в пределах упругой, так и в области пластической деформации. Эту способность материалов Г.В. Ужик называет сопротивлением отрыву. Н.К. Дертев установил, что этот критерий прочности для хрупких мате-

риалов может быть определен измерением длины диагональных трещин, возникающих в углах отпечатка при вдавливании в исследуемый образец алмазной пирамиды. Длина этих трещин является диаметром зоны, в которой напряжения уменьшаются от наибольшей величины в центре зоны до предела прочности исследуемого материала на ее периферии. Поэтому размеры трещин определяются величиной напряжений, возникающих вокруг отпечатка и сопротивлением данного материала отрыву. Применение этого метода позволяет получить количественные характеристики прочности поверхностного слоя исследуемых материалов. Расчет микропрочности на отрыв производится по формуле (1), предложенной Н.К. Дертевым.

Я = 4800—Р— (1 + 2и) С1)

4«{2+12 V ™ где R - микротвердость на отрыв, кг/мм2; ц - коэффициент Пуассона; Р -нагрузка на алмазную пирамиду, г; 1 -длина трещин, мк; d - длинна диагонали отпечатка, мк.

В своей работе Григорьева Л.Ф., ссылаясь на работы Г.В. Ужика для определения характеристики хрупкости и пластичности исследуемых материалов использует критерий Т.

гр

: = т- (2)

— сопротивление сдвигу; 1\а — сопротивление на отрыв.

Этот критерий позволяет отличать хрупкое состояние Т>1 от пластичного Т<1 и дает возможность количественно определить степень хрупкости твердых тел. Расчет критерия хрупкости производится по формуле, предложенной Н.К. Дертевым, который показал, что сопротивления отрыву и сдвигу могут быть определены методом вдавливания алмазной пирамиды. Для расчета критерия хрупкости можно произвести по формуле

(3), предложенной Н.К. Дертевым, который показал, что сопротивления отрыву и сдвигу могут быть определены методом вдавливания алмазной пирамиды.

т = 0,61 и + 4) (—) (3)

V Р/\ 1+2)1/

Т - критерий хрупкости; 1 - длина трещин, мк; d - длина диагонали отпечатка, мк; ц -коэффициэнт Пуассона.

Затем критерий хрупкости и пластичности Т, полученный в ходе исследования микротвердости образцов, вводится в программу упругой обрабатывающей системы станка с ЧПУ. Для этого воспользуемся способом предложенным к.т.н. А.С. Коньшиным и д.т.н. О.Б. Сильченко.

Предлагаемый способ размерного микрошлифования изделий, преимущественно, из сверхтвердых и хрупких материалов осуществляются посредством упругой обрабатывающей системы шлифовального станка с

1. Савицкий Е.М., Полякова В.П., Тылки-на М.А. Сплавы палладия. М.: Наука, 1967. 215с;

2. Тылкина М. А., Савицкий Е. М., Цыганова И. А. Диаграммы состояния металлических систем. М.: Наука, 1969;

3. Савицкий Е.М., Терехова В.Ф. Металловедение редкоземельных металлов. — М.: Наука, 1975. — 271 с.

4. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. М.: Металлургия, 1962. Т.2.с. 657;

5. Ужик Г.В. Сопротивление отрыву и прочность металлов, изд. АН СССР, 1951;

6. Физическое металловедение. Под редакцией Р. Канна. М., 1967;

программным управлением, имеющего производящую поверхность со связанными режущими зернами.

В программу упругой обрабатывающей системы станка вводится уже рассчитанное значение Т, далее задаются размеры готового изделия, высота микронеровностей на обрабатываемой поверхности готового изделия и расчетные параметры интенсивности съема припуска с обрабатываемой поверхности заготовки изделия. Таким образом, процесс съема припуска с обрабатываемого изделия осуществляется в режиме пластической деформации.

Предлагаемый способ позволяет осуществить качественную бездефектную обработку интерметаллических соединений с учетом особенностей их физикомеханических свойств.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

7. Cristian Cretu & Elma Van Der Lingen, «Coloured Gold Alloys» 2006;

8. Rapson, W.S., “Intermetallic Compounds of Gold”, Gold Bulletin, 29 (4), 1996,

9. p141-142;

10. Yamazaki, S, Ishii, N. and Sawada, K., Japanese patent 2003183710, 2003 (Ishifuku Metal Industry);

11. Коньшин А.С., Сильченко О.Б. Патент Российской Федерации № 2165837-С1-В24 В1/00, 5/00;

12. «Получение декоративного материала», Япония, МКИ С 23 С8/10, С 23 С14/16.

13. «Цветной сплав золота с упрочнённой поверхностью», Япония, МКИ С 22 С5/02. ЕШ

— Коротко об авторах -------------------------------------------------------

Сильченко О.Б. - профессор, доктор технических наук, зам. декана ф-та РРМ, Кривченкова И.В. - аспирантка, ассистент каф. МДиГ,

Московский государственный горный университет,

Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru