Повышение качества металлоизделийс помощью нанопорошков химических соединений Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.762:539.2

Г.Г. Крушешо, G.G. Kinshenko, e-mail: genry@icm.krasn.ru Spin-код: 2974-6220 Институт вычислительного моделирования СО РАН, г. Красноярск, Россия Institute Computational Modeling SB RAS. Krasnoyarsk. Russia

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА МЕТАЛЛОИЗДЕЛИЙ С ПОМОЩЬЮ НАНОПОРОПШОВ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

INCREASING THE QUALITY OF METAL WARES BY THE NANOPOWDERS

OF CHEMICAL COMPOUNDS

Описана технология модифицирования сплавов нажшоропжа_ми химических соединений. введение которых в жидкий металл приводит к измельчению структуры, н. как результат, к повышению механических свойств металлоизделий из алюминиевых литейных и деформируемых сплавов и чугунов

ТЪе technology of inoculation the alloys by the nanopowders of chemical compounds is described. lis introduction into the fluid metal leads to decomposition of structure and as a result to increasing the mechanical properties of metal wares made of aluminum founding and deformed alloys and pig irons

Ключевые схш ивтаняошдвлия, качество, нанотюрошки лшшчеенд соединений nanopowders

Keywords: metahvares, quality, nanopowders of chemical compounds

Многочисленными не следов аниями установлено, что с увеличением степени измельчения структурных составляющих различных сплавов повышаются механические свойства получаемых их них литых изделий.

Такое поведение шшнжрисгаллических металлов в большом диапазоне структурных составляющих хорошо описывается классическим соотношением Холп Петчл (Hall-Petch dependence) [1,2]:

vD

где nv - твердость материала, аг - предел текучести. Но - твердость тела зерна, сто - внутреннее напряжение, препятствующее распространению пластического сдвига в теле зерна, к -коэффициент пропорциональности, D - размер 'зерна. Из приведенной формулы видно, что с уменьшением размера зерна происходит увеличение прочности материала

Широко распространенным способом измельчения структурных составляющих любых ставов при производстве отливок машиностроительного профиля является модифицирование [3-5], которое производится путем введения в расплав небольших количеств веществ, которые служат либо центрами кристаллизации, либо блокируют рост формирующихся на зародышах кристаллических образований. В ряде случаев в результате имеют место оба процесса в такой последовательности: зарождение центров кристаллизации —> блокирование роста кристаллов.

80

В этом плане в последние годы большое внимание уделяется нанопорошкам (НП) химических соединений, которые представляют собой сверхмелкозернистые образования с размерами частиц, не превышающими 100 нм, которые обладают уникальными физико-химическими свойствами и механическими характеристиками, существенно отличающимися от таковых для материалов того же химического состава в массивном состоянии. Причина уникальности свойств НП заключается в том, что количество атомов в их поверхностном слое и в объеме оказывается соизмеримым [6].

В связи с исключительно малыми размерами частиц НП и их высокой реакционной способностью возникла идея их введения в мета лтичес кие расплавы в качестве центров кристаллизации с целью измельчения структуры литых изделий. Однако существующие способы введения в металлические расплавы порошкообразных добавок не могли быть приняты при использовании НП вследствие их особых свойств по сравнению с более крупными порошками. Поэтому был разработан принципиально новый эффективный способ введения НП в жидкий металл [7-9], блокирующий перечисленные выше негативные явления, суть которого заключается в прессовании прутков диаметром от 5 до 9,5 мм из композиции, состоящей из частиц алюминия (гранулы, крупка, «сечка») + НП. Гранулы получали из алюминиевых деформируемых сплавов Д1 или Д16 методом центробежной разливки; крупка первичная с величиной частиц в диапазоне 0.02...0,4 мм была получена методом распыления из алюминия не ниже марки А5; «сечка» представляла собой фрагменты (0 2,0 3,0 мм. H = 1,5. ..2,0 мм), нарезанные из алюминиевых прутков марки А5.

Полученные прутки служили носителем модификатора - в процессе их введении в расплав, алюминиевая матрица расплавлялась, и частицы НП оказывались в объеме жидкого металла, минуя контакт с атмосферой.

Количество любого нз НП, вводимого в любые исследуемые ставы, не превышало 0.05 %, а в отдельных случаях - всего до тысячных долей процента. Расход прутка при этом составляет 20.. .25 кг на 1 т металла.

В проведенной работе были использованы следующие НП. полученные методом шзазмохимического синтеза: нитрид алюминия AJN. оксид алюминия АЬО}.; карбид бора В4С; карбид бора В4С1; нитрид бора BN, карбонитрид хрома Ci^Ci.^Na^; нитрид гафния HfN; диборид гафния HfB:; гексаборид лантана LaB¿; карбид кремния SiQ нитрид кремния SijN4; ннгрнд тантала TaN; карбонитрид титана Ti^CJ4^; окснкарбонитрид титана TijCjN^C^ нитрид титана TiN: двуокись титана Titb; карбид ванадия VC; карбонитрид ванадия V^CyNz; нитрид ванадия Vo:7îNo.2î; а также такие смеси НП: A1N + TiN: BN - В4С; SiC + В4С и ряд других. Эти химические соединения относятся к промежуточным фазам, характерной особенностью которых является высокая степень устойчивости, неметаллический характер и высокая температура плавления (в диапазоне 2273.. .3273 К).

В результате введения НП В4С, SiC, TixCvNz, TaN и смеси В4С + BN в алюминиевые литейные сплавы АК7, АК12, АК9ч, AJÍ 7ч, АК7Ц9 и др. измельчается макро- и микроструктура, что приводит к увеличению иЕ отливок на 2,5-19.3% и 5 - в 1,5-7,3 раза. В результате введения НП В4С е сплавы АК7ч и АМ5 при получении из них детатей жидкой штамповкой повышается 5 - соответственно на 50% н 19% при сохранении уровня о.

При введении НП SiC, В4С: BN. LaBs, TaN. TiKCyNz, TiCNO, TiN. TiCb, VxCjNB| (смесь AIN - BN). (смесь HfN" + Н£Вт) в алюминиевые деформируемые сплавы при литье полунепрерывным способом слитков диаметрами 190 мм нз сплава Д16 и диаметрами 300, 420 и 500 мм нз сплава АМгб. 4S0 мм из става Д1 происходит измельчение зерна в 1,7-20 раз. что приводит к повышению механических свойств отпрессованных из них профилей различного сечения: ст.- на 2,5-8,8 %; о0 2-ня 2,0-16,1 %; 5- на 11,8-31,0%.

Кроме того, установлен эффект модифицирования с помощью НП чугунов СЧ15, ИСЦ, СЧЦ-1С и ИЧХ-12М, н связанный с этим рост свойств отливок [10].

Библиографический список

1. Hall. Е.О. The deformation and Ageing of Mild Steel : III. Discussion of Results / E O. Hall // Proceeding of the Physical Society. Section В. - 1951. - V. 64. - № 9. - P. 717-753.

2. Peteh.. N. J. The Cleavage Strength of Poly crystals / N. J. Peteh И Journal of lion and Steel Institute -1953. - Vol. 174. - P. 25-28.

3. Модифицирование силуминов. - Киев : АН УССР, 1970. - 179 с.

4. Бондарев. Б. И. Модифицирование алюминиевых деформируемых сплавов / Б. И. Бондарев. В. И. Напалков. В. И. Тардрышкин. - М. : Металлургия, 1979. - 224 с.

5. Лепинских, Б. М. Физико-химические закономерности модифицирования железоуглеродистых расплавов / Б. М. Лепинских, И. И. Телнцын - М. : Наука, 1986 - 96 с.

6. Морохов, И. Д. Ультраднсперсные металлические среды / И. Д. Морохов. Л. И. Трусов. С. П. Чижик. - М. : Атомиздат, 1977. - 264 с.

7. А.с. № S31840 Российская Федерация. МПК С22С1/06. Способ модифицирования литейных алюминиевых сплавов эвтектического типа / Г. Г. К рушен к о Ю. М. Мусохранов. И. С. Ямских [и др.]. - № 2831160 , заявл 17.10. 79 ; опубл. 23.05.81.

8. Крушенко. Г. Г. Модифицирование алюминиевых сплавов нанопорошками / Г. Г. Крушенко. М. Н. Фильков ННанотехника. -2007,-№4.-С.58-64.

9. Наноиорошковые технологии в машиностроении / В. В. Москвичей [и др.]. - Красноярск : Сибирский федеральный университет, 2013. - 186 с.

10. Модифицирование высокохромистого чугуна ИСЦ ультралисперсным порошком / Г. Г. Крушенко. В. Ф. Пинкин, А. Г. Каренгин, С. А. Осиненко // Литейное проигводство. -1994.-№3,-С. 7.