ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВИДА ФЛЮСА НА СИНТЕЗ ЛИТОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА АМг2-TiC Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Транспортное машиностроение. 2023. № 7(19). С. 40-48. ISSN 2782-5957 (print) Transport Engineering. 2023. no. 7(19). P. 40-48. ISSN 2782-5957 (print)

Материаловедение и технология материалов Materials science and materials technology

Научная статья

Статья в открытом доступе

УДК 620.11 + 620.178

doi: 10.30987/2782-5957-2023-7-40-48

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВИДА ФЛЮСА НА СИНТЕЗ ЛИТОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА АМг2-^

Юлия Владимировна Шеринаш, Альфия Расимовна Луц2, Андрей Дмитриевич Качура3, Сергей Владимирович Шигин4

1,2,3,4 Самарский государственный технический университет, Самара, Россия 1yulya.makhonina. [email protected], https://orcid.org/0000-0002-5451-7107

2 [email protected], https://orcid.org/0000-0001-7889-9931

3 [email protected], https://orcid.org/0000-0001-9246-5638

4 [email protected], https://orcid.org/0000-0003-2738-5716

Аннотация

Приводятся результаты исследования, посвященного изучению влияния вида флюса на протекание процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза карбида титана в расплаве алюминия, а также структуру и свойства получаемого композиционного материала АМг2-TiC. В ходе исследований был проведен анализ и осуществлен выбор наиболее перспективных для применения в качестве флюсов галоидных солей: NaзAlF6, №2^6, ^ТО^, ^^^4-6 (^ш^™, производства ФРГ). В процессе экспериментального синтеза наиболее активные признаки экзотермической реакции между порошками титана и углерода в расплаве были зафиксированы в присутствии добавки флюса Na2TiF6. В ходе дальнейших исследований были проведены микроструктурный, мик-рорентгеноспектральный и количественный рент-генофазовый анализы, по результатам которых было установлено, что наиболее однородное распределение по объему материала, максимальное со-

держание близкой к стехиометрическому составу карбидной фазы высокой дисперсности наблюдается также в образцах, полученных с применением соли Na2TiF6. На синтезированных образцах композиционного материала была проведена оценка физико-механических характеристик: твердости, пористости и электропроводности. Выявлено, что образцы композита с оптимальной структурой также характеризуются снижением пористости на 1,33%, повышением твердости на 94 МПа и уменьшением электропроводности на 0,3 МСм/м по сравнению с образцами, полученными с применением других флюсов. По результатам комплекса проведенных исследований для реализации СВС композиционного материала АМг2-TiC к использованию рекомендован флюс Na2TiF6.

Ключевые слова: материал, алюминий, карбид титана, флюс, самораспространяющийся синтез.

Ссылка для цитирования:

Шерина Ю.В. Исследование влияния вида флюса на синтез литого композиционного материала АМГ2-TIC / Ю.В. Шерина, А.Р. Луц, А.Д. Качура, С.В. Шигин // Транспортное машиностроение. - 2023. - № 07. - С. 40-48. doi: 10.30987/2782-5957-2023-7-40-48.

Original article Open Access Article

STUDY OF THE INFLUENCE OF FLUX TYPE ON THE SYNTHESIS OF CAST COMPOSITE MATERIAL AMg2-TiC

Yulia Vladimirovna Sherina1BI, Alfiya Rasimovna Luts2, Andrey Dmitrievich Kachura3, Sergey Vladimirovich Shigin4

40 © Шерина Ю. В., Луц А. Р., Качура А. Д., Шигин С. В.,2023

1,2,3,4 Samara State Technical University, Samara, Russia '[email protected], https://orcid.org/0000-0002-5451-7107

2 [email protected], https://orcid.org/0000-0001-7889-9931

3 [email protected], https://orcid.org/0000-0001-9246-5638

4 [email protected], https://orcid.org/0000-0003-2738-5716

Abstract

The results are presented devoted to the study of the influence of flux type on the process of self-propagating high-temperature synthesis (SHS) of titanium carbide in aluminum flux, as well as on the structure and properties of the resulting composite material AMg2-TiC. During the research, the most promising halide salts for use as fluxes were analyzed and selected: NasAlF6, Na2TiF6, K2TiF6, Ki-sAlF^ (Nocolok™ made in Germany). During the experimental synthesis, the most active signs of an exothermic reaction between titanium and carbon powders in the flux were recorded having a flux additive Na2TiF6. Then microstructural, micro X-ray spectral analysis and quantitative X-ray phase analyses were carried out, according to their results it was found out that the most homogeneous distribution in terms of material volume, the

maximum content of a high dispersion of carbide phase close to the stoichiometric composition is also observed in samples obtained with the use of Na2TiF6 salt. The synthesized samples of the composite material were assessed according to physical and mechanical characteristics: hardness, porosity and electrical conductivity. It was found out that composite samples with an optimal structure are also characterized by a decrease in porosity by 1.33%, an increase in hardness by 94 MPa and a reduction of electrical conductivity by 0.3 MSm/m compared with samples obtained using other fluxes. According to the results of the studies carried out, Na2TiF6 flux is recommended for use to implement SHS composite AMr2-TiC material.

Keywords: material, aluminum, titanium carbide, flux, self-propagating synthesis.

Reference for citing:

Sherina YuV, Lutz AR, Kachura AD, Shigin SV. Study of the influence offlux type on the synthesis of cast composite material AMG2-TIC. Transport Engineering. 2023; 7: 40-48. doi: 10.30987/2782-5957-2023-7-40-48.

Введение

Алюмоматричные композиционные материалы (АМКМ), дисперсно упрочненные частицами карбида титана, представляют собой уникальный класс материалов, поскольку при небольшой массе обладают повышенными характеристиками удельной прочности, износостойкости и пр. Для их получения наиболее доступными и экономичными являются жидкофазные технологии, из числа которых наиболее перспективными являются т.н. методы т-Б^и, главными преимуществами которых выступают одностадийность технологического процесса, хорошая адгезия между матрицей и упрочняющей фазой, высокая дисперсность последней. В Самарском государственном техническом университете разработана подобная технология получения композиционных материалов с применением метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), суть которого заключается в проведении экзотермической реакции между исходными порошками титана и углерода или их соединениями, введенными непосредственно в расплав алюминия [1]. Полученные методом СВС АМКМ состава А1-10 масс. % НС, с размером карбидной фазы от 100 нм, характеризуются повыше-

нием предела прочности более чем в 2,5 раза и твердости более чем в 3 раза по сравнению с исходным алюминием [2].

Вместе с тем, после завершения синтеза в конечном продукте зачастую отмечается присутствие остатков непрореагировавшей шихты,

неравномерность распределения частиц по объему композита, их скопление по границам зерен. Указанные дефекты могут возникать по причине окисленности поверхности порошковых компонентов титана и углерода и, как следствие, неполноценного прохождения синтеза. Для устранения окислов наиболее

эффективным приемом является применение флюсов, рафинирующее действие которых состоит в адсорбции и растворении загрязнений или в химическом взаимодействии флюса с примесями [1]. Проведенный анализ публикаций показал, что и отечественные, и зарубежные исследователи широко используют флюсы различного состава при реализации СВС-процессов в алюминиевых расплавах. Так, в частности, приводятся примеры получения АМКМ А1-Т1С путем добавления в расплав алюминия порошков титана и углерода [1]

или диоксида титана и графита [3], и в обеих публикациях отмечается, что хорошая адгезионная связь и повышение механических свойств возможно только при условии добавления флюса криолит №3АШ6. В исследовании [4] при синтезе композита А1-4,5%^-5 % НС путем добавления в расплав титана и древесного угля оптимальные результаты получены при использовании смеси солей КБ и Интересны публикации, где сообщается о возможности применения соли К2Т1Бб одновременно и в качестве источника титана в сочетании с техническим углеродом, и рафинирующего флюса при получении АМКМ с 2 и 4 масс. % Т1С на основе алюминиевого сплава 6061 [5] или А1-(5-15) % Т1С [6]. Аналогично может применяться и соль №2Т1Б6 при реализации СВС АМКМ А1-10%Т1С [7]. Таким образом, можно заключить, что наиболее распространенным в качестве флюсов является использование солей, содержащих фториды натрия и калия или их соединений. Проведенный анализ публикаций также показал, что СВС фазы карбида титана широко используется для повышения механических характеристик промышленных алюминиевых сплавов [8]. Особенно это актуально для алюминиево-магниевых сплавов (магналиев), которые, как известно, отличаются хорошей деформируемостью и свариваемостью, но относительно невысокой прочностью и твердостью. В работе [9] показан термодинамический анализ возможности получения композиционного материала на основе сплава АМг2 путем синтеза в его составе 10 масс. % Т1С, однако полноценные экспериментальные

исследования не проводились. Поэтому целью данной работы было поставлено проведение сравнительного анализа влияния вида флюса на структуру и свойства композиционного материала АМг2-10 % Т1С, полученного методом СВС в расплаве. Для проведения исследований использовался

промышленный сплав АМг2 (ГОСТ 478497), порошок титана ТПП-7 (ТУ1715-449-05785388), порошок углерода П-701 (ГОСТ 7585-86), а также в качестве флюсов: криолит №3АШ6 (ГОСТ 1056180), (ТУ 6-09-01-425-77), (ТУ 20.13.62-023-69886968-2017),

соединение K1-3AIF4-6 (Nocolok™, производства фирмы «Solvay», Ганновер, ФРГ). Порошки титана и углерода подвергали предварительной сушке при температуре 100-110 °С в течение 2-3 часов, затем производили смешивание порошков в стехиометрической пропорции и к этому составу добавляли различные флюсы в количестве 5 % от массы шихты. Далее полученную композицию делили на три равные порции, каждую из которых прессовали в таблетку. Одновременно в графитовом тигле плавильной печи ПС-20/12 проводился нагрев сплава АМг2 до температуры 900 °С. Затем осуществлялся поочередный ввод спрессованных таблеток из расчета приготовления композита состава АМг2-10 масс. % TiC. Во время СВС-реакции расплав тщательно перемешивали. После окончания синтеза расплав выдерживали 5 мин, перемешивали и заливали в стальной кокиль. Полученную отливку путем токарной обработки разрезали на цилиндры размером 20*20 мм. Изготовление металлографических

шлифов проводили на шлифовально-полировальной машине ПОЛИЛАБ П12МА с приставкой для работы в автоматическом режиме. Для выявления микроструктуры проводили травление образцов раствором 50 % HF + 50 % HNO3 в течение 10-15 сек. Металлографический анализ осуществляли на растровом электронном микроскопе Jeol JSM-6390A. Фазовый состав анализировался методом рентгенофазового анализа (РФА). Съемка рентгеновских спектров - на автоматизированном дифрактометре марки ARL X'trA (Thermo Scientific) с использованием Cu-излучения при непрерывном сканировании в интервале углов 20 от 20 до 80 град со скоростью 2 град/мин. Анализ дифрактограмм проводился с использованием программы «HighScore Plus». Экспериментальное определение плотности образцов проводилось путем гидростатического взвешивания по ГОСТ 20018-74. Твердость исследовалась на твердомере ТШ-2М (ГОСТ 9012-59). Для анализа электропроводности применялся

вихретоковый структуроскоп ВЭ-26НП (ГОСТ 27333-87). В процессе выплавки всех образцов АМКМ наблюдались

признаки протекания СВС-реакции, которая сопровождалась искро- и газовыделением различной интенсивности. Но наиболее активно, уже при вводе первой навески, синтез происходил в случае использования соли Ка2Т1Бб и на этом же образце был

получен «чистый» излом, без каких-либо включений. На рис. 1 представлены микроструктуры образцов АМг2-10 % Т1С, полученных с применением различных флюсов.

в)

д)

к)

г)

е)

л)

Рис. 1 Микроструктура образцов AMr2-TiC в присутствии флюса:

а, б - NasAlFe; в, г - Na2TiFe; д, е - K^TiFe; к, л - Nocolok™ Fig. 1. Microstructure of AMg2-TiC samples in the presence of flux: a, b) NaAlFe; v, g) Na2TiFe; d, e) ^TiFe; k l) Nocolok™

Номер Элементов не менее, масс. %

маркера Al Ti C Mg

006 2,40 96,04 1,56 -

007 20,36 74,56 3,32 1,77

008 93,18 0,39 0,11 6,32

Рис. 2. Микрорентгеноспектральный анализ AMr2-TiC + NasAlFe

Fig. 2. X-ray microanalysis of AMg2-TiC + Na3AlF6

i®(pD

Номер Элементов не менее, масс. %

маркера Al Ti C Mg

004 31,31 42,62 23,67 2,41

005 73,44 4,56 16,83 5,17

006 33,37 42,82 21,19 2,62

Рис. 3. Микрорентгеноспектральный анализ AMr2-TiC + Na2TiFe Fig. 3. X-ray microanalysis of AMg2-TiC + Na2TiF6

По результатам их анализа можно сделать вывод, что во всех случаях наблюдаются включения синтезированной фазы, но ее наиболее равномерное распределение по объему матрицы наблюдается только при использовании соли №2Т1Б6 (рис. 1в, г), а наибольшая дисперсность (130-250 нм) отмечается при использовании ти-тансодержащих соединений №2Т1Б6 и К2Т1Б6 (рис. 1 в-е).

Результаты микрорентгеноспек-трального анализа композиционных материалов, представленные на рисунках 2 - 5, подтверждают наличие в составе включе-

ний титана и углерода, однако наиболее близкий к стехиометрическому составу имеют частицы, синтезированные с применением соли №2Т1Б6 (рис. 3).

Проведенное далее рентгенофазовое исследование, а также, по его результатам, количественный анализ дифрактограмм показали, что при использовании флюсов №2Т1Б6 и К2Т1Б6 количество карбидной фазы максимально и составляет 8 масс.%, что, принимая во внимание некоторую неоднородность ее распределения, является вполне приемлемым уровнем (рис. 6).

ал ста

Номер маркера Элементов не менее, масс. %

Al Ti C Mg

016 9,52 88,93 0,98 0,57

017 94,07 0,49 - 5,44

018 93,54 0,25 - 6,51

Рис. 4. Микрорентгеноспектральный анализ AMr2-TiC + Ka2TiF6 Fig. 4. X-ray microanalysis of AMg2-TiC + Ka2TiF6

Номер маркера Элементов не менее, масс. %

Al Ti C Mg

012 1,19 93,81 5,00 -

013 93,80 - - 6,20

014 28,91 67,57 1,68 1,85

015 11,87 80,76 6,16 1,22

Рис. 5. Микрорентгеноспектральный анализ AMr2-TiC + Nocolok™

Fig. 5. X-ray microanalysis of AMg2-TiC + Nocolok™

В заключение были изучены пористость, твердость и электропроводность синтезированных образцов, результаты представлены в таблице. Принимая во внимание, что для СВС-материалов, вследствие скоротечности синтеза, характерна повышенная пористость, что негативно сказывается на их свойствах, оптимальное значение этой характеристики отмечается

на образце, полученном с добавлением соли Ка2Т1Бб, и составляет 1,67%. Для этого же образца, вследствие, как было показано выше, наиболее равномерного распределения высокодисперсной карбидной фазы, отмечается также повышение твердости (644 МПа) и снижение электропроводности (15,2 МСм/м).

Al i f • Al

U TiC

L...I..I...................._..........,........1.........

Position [-2Th«ti] (Copper (Cu))

a)

в)

Al 97% • Al

TiC 7% ■ TiC

Position [°2Theta] (Copper (Cu))

r)

Рис. 6. Рентгенофазовый количественный анализ композиционного материала AMr2-TiC в присутствии флюса: а) Na3AlFe; б) Na2TiFe; в) K2TiFe; г) NocolokTM Fig. 6. X-ray phase quantitative analysis oof the composite material AMg2-TiC in the presence of flux:

a) Na^F b) Na^TF v) KTF g) Nocolok™

Таблица

Физико-механические свойства

Table

Physical and mechanical properties

Пористость, % Твердость, НВ, МПа Электропроводность, МСм/м

АМг2 холоднокатанный - 594 20,2

AMr2-TiC+Na3ÄlF6 3 550 15,5

AMr2-TiC+Na2TiF6 1,67 644 15,2

AMr2-TiC+K2TiF6 3 550 15,5

AMr2-TiC+ Nocolok™ 3 550 15,5

По результатам исследования микроструктуры и изучения физико-механических характеристик полученных образцов, для проведения СВС компози-

ционного материала AMr2-TiC следует рекомендовать к использованию флюс Na2TiF6.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Луц А.Р., Макаренко А.Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез алюминиевых сплавов. Самара: СамГТУ, 2008. 175 с. ISBN 978-5-94275-377-1.

2. Амосов А.П., Луц А.Р., Латухин Е.И., Ермош-кин А.А. Применение процессов СВС для получения in situ алюмоматричных композиционных материалов, дискретно армированных нанораз-мерными частицами карбида титана (обзор). Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. 2016. №1. С.39-49. DOI: 10.17073/0021-2016-1-39-49.

3. Sheibani, S., and M. Fazel Najafabadi. "In situ fabrication of Al-TiC metal matrix composites by reactive slag process." Materials & design. 2007;28(8):2373-2378.

4. Das, Biswajit, et al. "Development of an in-situ synthesized multi-component reinforced Al-4.5% Cu-TiC metal matrix composite by FAS technique-Optimization of process parameters." Engineering Science and Technology, an International Journal. 2016;19(1):279-291.

5. Kishore, D. Sai Chaitanya, K. Prahlada Rao, and A. Mahamani. "Investigation of cutting force, surface roughness and flank wear in turning of In-situ

Al6061-TiC metal matrix composite." Procedia Materials Science. 2014;6:1040-1050.

6. Jerome, S., et al. "Synthesis and evaluation of mechanical and high temperature tribological properties of in-situ Al-TiC composites."Tribology International. 2010;43(11):2029-2036.

7. Луц А.Р., Ионов М.К. Исследование возможности применения галоидной соли Na2TiF6 как источника атомарного титана для синтеза алюмо-матричного композиционного материала, армированного карбидом титана. Высокие технологии в машиностроении: сб. мат. XVI Всерос. науч.-техн. интернет-конф. с между-нар.участием, Самара: СамГТУ, 2017. С. 151153. ISBN: 978-5-7964-2053-9.

8. Utkarash Pandey, Rajesh Purohit, Pankaj Agarwal, S.K. Dhakad, R.S. Rana. Effect of TiC particles on the mechanical properties of aluminium alloy metal matrix composites (MMCs). Materials Today: Proceedings. 2017;4:5452-5460.

9. Шерина Ю.В., Луц А.Р., Амосов А.П. Исследование влияния вида и количества флюса на процесс СВС композиционного материала АМг2-10%TiC. Информационно-технологический вестник. 2022. №2(32). С. 131-139. ISSN 24091650.

REFERENCES

1. Lutz AR, Makarenko AG. Self-propagating high-temperature synthesis of aluminum alloys. Samara: SamSTU; 2008.

2. Amosov AP, Lutz AR, Latukhin EI, Ermoshkin AA. Application of SHS processes for in situ production of aluminum matrix composite materials discretely reinforced with nanoscale titanium carbide particles (review). Izvestiya Vuzov. Tsvetnaya Metallurgiya 2016;1:39-49. DOI: 10.17073/00212016-1-39-49.

3. Sheibani S, Fazel Najafabadi M. In situ fabrication of Al-TiC metal matrix composites by reactive slag process. Materials & Design. 2007;28(8):2373-2378.

4. Das Biswajit. Development of an in-situ synthesized multi-component reinforced Al-4.5% Cu-TiC metal matrix composite by FAS technique-Optimization of process parameters. Engineering Science and Technology, an International Journal. 2016;19(1):279-291.

5. Kishore D, Sai Chaitanya K, Prahlada Rao, Ma-hamani A. Investigation of cutting force, surface roughness and flank wear in turning of In-situ Al6061-TiC metal matrix composite. Procedia Materials Science. 2014;6:1040-1050.

6. Jerome S. Synthesis and evaluation of mechanical and high temperature tribological properties of in-situ Al-TiC composites. Tribology International. 2010;43(11):2029-2036.

7. Lutz AR, Ionov MK. Study of the possibility of using Na2TiF6 halide salt as a source of atomic titanium for the synthesis of aluminum-matrix composite material reinforced with titanium carbide. Pro-

Информация об авторах:

Шерина Юлия Владимировна - аспирант кафедры «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы»; тел. +7-963-913-66-03. Луц Альфия Расимовна - доцент кафедры «Металловедение, порошковая металлургия, наномате-риалы», кандидат технических наук; тел. +7-927601-89-76.

Sherina Yulia Vladimirovna - Postgraduate Student of the Department of Metallurgy, Powder Metallurgy, Nanomaterials; phone: +7-963-913-66-03. Luts Alfiya Rasimovna - Associate Professor of the Department of Metallurgy, Powder Metallurgy, Nanomaterials, Candidate of Technical Sciences; phone: +7927-601-89-76.

ceedings of the XVI All-Russian Scientific and Technical Internet Conference with International Participation: High Technologies in Mechanical Engineering; Samara: SamSTU; 2017.

8. Utkarash P, Rajesh P, Pankaj A, Dhakad SK, Rana RS. Effect of TiC particles on the mechanical properties of aluminium alloy metal matrix composites (MMCs). Materials Today: Proceedings. 2017;4:5452-5460.

9. Sherina YuV, Lutz AR, Amosov AP. Study of the effect of flux type and amount on SHS process of AMg2-10%TiC composite material. Information Technology Bulletin. 2022;2(32):131-139.

Качура Андрей Дмитриевич - магистрант кафедры «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы»; тел. +7-917-165-16-13. Шигин Сергей Владимирович - ведущий инженер кафедры «Технология машиностроения, станки и инструменты».

Kachura Andrey Dmitrievich - Master Degree Student of the Department of Metallurgy, Powder Metallurgy, Nanomaterials; phone: +7-917-165-16-13. Shigin Sergey Vladimirovich - Leading Engineer of the Department of Mechanical Engineering Technology, Machine Tools and Equipment.

Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. The authors declare no conflicts of interests.

Статья опубликована в режиме Open Access. Article published in Open Access mode.

Статья поступила в редакцию 13.04.2023; одобрена после рецензирования 5.05.2023; принята к публикации 27.06.2023. Рецензент - Трушников Д.Н., доктор технических наук, профессор Пермского национального исследовательского политехнического университета.

The article was submitted to the editorial office on 13.04.2023; approved after review on 5.05.2023; accepted for publication on 27.06.2023. The reviewer is Trushnikov D.N., Doctor of Technical Sciences, Professor of Perm National Research Polytechnic University