CC BY
38
УДК 621.74
ПРИМЕНЕНИЕ НАНОПОРОШКОВЫХ ПСЕВДОЛИГАТУР Cu-Si3N4 ДЛЯ АРМИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Кузина Антонина Александровна, старший преподаватель (e-mail: [email protected]) Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева (Самарскийуниверситет), г.Самара, Россия Амосов Александр Петрович, д.ф.-м.н., профессор, зав. кафедрой
(e-mail: [email protected]) Титова Юлия Владимировна, к.т.н., доцент (e-mail: [email protected]) Самарский государственный технический университет, г. Самара, Россия
В данной статье приводятся результаты армирования алюминиевых сплавов марок АК12 и А7 наночастицами нитрида кремния (Si3N4), полученными по азидной технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС-Аз). Наночастицы Si3N4 вводились в алюминиевые расплавы в составе нанопорошковых псевдолигатур Cu -Si3N4, содержащих от 2,5 до 7,5% (масс.) нанопорошка Si3N4. Нанопорошковые псевдолигатуры изготавливались в виде прессованных таблеток диаметром 18±0,2 мм, высотой до 2 мм из смеси порошков Cu и Si3N4 массой до 3 грамм, с относительной плотностью до 90%. Смесь порошков получалась механоактивацией исходных порошков (порошка меди марки ПМС-1 с размером частиц от 20 до 100 мкм и нанопорошка нитрида кремния марки СВС-Аз с размером частиц порядка 100 нм) в планетарной мельнице «Пульверизетте-5» в течение 5 минут со скоростью вращения размольных шаров 300 об/мин с последующим прессованием приготовленных композиций в цилиндрической пресс-форме на гидравлическом прессе ПСУ-50 с давлением прессования до 70 МПа. Армирование алюминиевых сплавов проводилось в печи типа GRAFICARBO в стальном тигле на массу плавки 0,1...0,2 кг. Температура расплава варьировалась от 850 до 1000°С. Исследовалось влияние обработки алюминиевого расплава электромагнитными акустическими полями (ЭМАП) на растворимость вводимых нанопорошковых псевдолигатур. Представлены микроструктуры полученных литых образцов алюмоматричных композиционных материалов после армирования. Установлено, что предельная растворимость упрочняющей фазы Si3N4 наблюдается при её вводе в сплавы АК12 и А7 в составе нанопорошковых псевдолигатур Cu-5%Si3N4.
Ключевые слова: алюминиевый сплав, нитрид кремния, наночастицы, порошок меди, псевдолигатура, армирование, композит, микроструктура, механические свойства.
Введение
Большой интерес представляют сплавы на алюминиевой основе, упрочненные тугоплавкими частицами, которые фактически не взаимодействуют с материалом матрицы и не растворяются в нем вплоть до температуры его плавления [1-3]. Такие сплавы называются алюмоматричными композиционными материалами (АМКМ). Они нашли широкое применение в различных отраслях промышленности (ракетостроении, самолетостроении, авиастроении, автомобилестроении и др.) за счет сочетания высоких механических и эксплуатационных свойств и малого удельного веса [1, 4, 5]. Известны твердофазные и жидкофазные методы получения АМКМ [2]. К твердофазным способам относят порошковую металлургию с прессованием и спеканием смесей порошков, механическое легирование, трение с перемешиванием. В основе способов получения литых АМКМ лежат процессы жидкофазного совмещения армирующей фазы с матричным расплавом. Жидкофазные методы получения делятся по способу получения упрочняющей (армирующей) фазы в составе АМКМ на т^Ш и ex-situ. При т^Ш способе упрочняющая фаза синтезируется в расплаве алюминия в результате химической реакции. При ex-situ способе упрочняющая фаза получается заранее в виде порошка вне расплава алюминия, а затем вводится в расплав. Матричным материалом для получения АМКМ являются чистый алюминий и сплавы на его основе. В качестве упрочняющих фаз используются керамические частицы из различных высокотвердых тугоплавких соединений (Д^^ SiC, AlN, ^^ SiзN4, B4C, TiB2 и др.) [612]. Уменьшение размера частиц упрочняющей фазы до наноуровня может значительно повысить свойства АМКМ при малом содержании упрочняющей фазы, что позволяет сохранить в АМКМ в определенной степени пластичность алюминия [7-12]. Наночастицы обладают высокой седиментационной устойчивостью в расплаве, служат центрами кристаллизации, способствуя формированию мелкокристаллической структуры АМКМ.
Существует много методов получения керамических нанопорошков: газофазных, жидкофазных и твердофазных, но наибольшее развитие и промышленное применение получил метод плазмохимического синтеза (ПХС) [13-15]. На рынке за рубежом и в России представлены в основном именно керамические нанопорошки ПХС, цена которых за рубежом составляет до 3000 евро за 1 кг, в России цены аналогичные и доходят до 250 тысяч рублей за 1 кг [16, 17]. Такие большие цены на нанопорошки в значительной степени препятствуют их применению для армирования АМКМ и организации экономически обоснованного промышленного производства АМКМ, дисперсно-упрочненных наночастицами. В связи с этим актуальной является задача исследования возможности применения для изготовления АМКМ более дешевых керамических нанопорошков. В этом отношении несомненный интерес представляют нанопорошки,
получаемые методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), который характеризуется энергосбережением, простотой и малогабаритностью используемого оборудования, возможностью получения нанопорошков самых разнообразных керамических соединений (нитридов, карбидов, боридов, оксидов и других) [18]. Большие возможности для получения нанопорошков нитридов предоставляет азидная технология СВС, обозначаемая как СВС-Аз [19].
Однако ввести наноразмерные частицы непосредственно в металлический расплав простым замешиванием практически невозможно [10, 11, 20]. Наночастицы образуют в воздухе пылевидную взвесь, являются очень активными, легко слипаются, не смачиваются расплавом алюминия, не тонут в расплаве, плавая на поверхности и окисляясь. Один из основных путей решения этой проблемы - применение нанопорошковых псевдолигатур [20]. Под псевдолигатурой обычно понимается механическая смесь порошков тугоплавких и легкоплавких элементов в определенном соотношении, спрессованная в брикет, который добавляется в расплав для легирования труднорастворимыми элементами (титан, хром и др.), поэтому пседолигатуры часто называют легирующими таблетками [21]. В случае необходимости ввода нанопорошков готовится смесь нанопорошка с пластичным, хорошо растворяющемся в расплаве алюминия порошком-носителем (алюминием, титаном, никелем или медью), подвергается механоактивации и прессуется в брикеты нанопорошковой псевдолигатуры, которые и вводятся в расплав алюминия [7, 9, 20]. Пластичность облегчает получение прессованных достаточно прочных брикетов с заданной плотностью и пористостью. Брикеты чаще всего имеют плотность больше плотности расплава алюминия, поэтому сразу уходят под поверхность расплава, предохраняя нанопорошки от окисления на поверхности и способствуя растворению порошка-носителя в расплаве, в процессе которого нанопорошки распределяются по объему расплава. В этом случае достаточно периодического перемешивания расплава, то есть не требуется активное постоянное механическое перемешивание расплава, что уменьшает его газонасыщение и окисление. Применение нанопорошковых пседолигатур позволяет достаточно просто ввести в матрицу АМКМ наноразмерные армирующие элементы, которые невозможно ввести механическим замешиванием.
Прессованные нанопорошковые псевдолигатуры изготавливаются в виде прутков, лент, полос, таблеток и т. д. В патенте [22] описано изготовление псевдолигатуры в виде прутка путем смешивания алюминиевого порошка с размером частиц (0,5...0,7) мкм и нанопорошка нитрида титана (TiN) со средним размером частиц порядка 40 нанометров в планетарной мельнице в течение 5 минут и прессования полученной композиции. В работах [9, 23] различные нанопорошки, полученные плазмохимическим способом и прошедшие в планетарной мельнице предварительную механоактивацию, смешивались с алюминиевыми гранулами или крупкой и прессовались в
прутки диаметром 5...9,5 мм. Содержание нанопорошков в прутках достигало 4.5%, и при их растворении в расплаве удавалось вводить в алюминиевые сплавы не более 0,05% нанопорошка, а в отдельных случаях даже всего до тысячных долей процента. Для разных АМКМ с матрицами из литых и деформируемых алюминиевых сплавов оптимальное содержание нанопорошков разного вида оказалось примерно одинаковым и очень малым: 0,004.0,05%. В предыдущих работах авторов настоящей статьи нанопорошковые псевдолигатуры изготавливались в виде таблеток из медного порошка-носителя и нанопорошка азидной технологии СВС нитрида алюминия (АШ) с примесью побочной соли 35%Ка3АШ6 [24, 25]. Таблетка состава Си-4%(АШ+35%Ка3АШ6) массой 2,5 г полностью растворилась в расплаве алюминия массой 198 г при температуре 850 °С и позволила ввести армирующие частицы АШ в алюминиевый сплав, образовав литой АМКМ расчетного состава А1-1,2%Си-0,035%АШ. При этом побочная соль Ка3АШ6 в продукте СВС-Аз сыграла роль флюса при вводе в расплав алюминия и в конечный состав композиционного сплава не вошла. При увеличении содержания нанопорошка АШ+35%Ка3АШ6 в таблетке нанопорошковой псевдолигатуры свыше 4% брикет переставал растворяться в расплаве алюминия, поэтому получить АМКМ с содержанием АШ более 0,035 % этим способом не удалось.
Целью настоящей работы было исследование возможности применения нанопорошковых псевдолигатур на медной основе для ввода в алюминиевый расплав другого нанопорошка азидной технологии СВС -нитрида кремния (Б13К4) - и получения АМКМ системы А1-Б13К4.
Методика исследований
Для проведения исследований использовался нанопорошок нитрида кремния (Б13К4), синтезированный по следующей реакции СВС порошка кремния с азидом натрия КаК3 и галоидной солью (КИ4)281Е6 [26]: 1481 + (Ш^Я^ + бКК = 5813К + бКБ + 4Щ
Рентгенофазовый анализ показал, что после водной промывки и удаления побочной соли КБ продукт СВС-Аз представляет собой нитрид кремния высокой чистоты, состоящий из двух фаз: а-Б^К (70%) и Р-Б^К (30%). Электронно-микроскопическое изображение синтезированного нитрида кремния представлено на рисунке 1, из которого видно, что это нанопорошок из смеси нановолокон и наночастиц равноосной формы со средним размером порядка 100 нм. Этот нанопорошок Б^К смешивался с порошком электролитической меди марки ПМС-1 с размером частиц от 20 до 100 мкм в соотношении Си-(2,5%...7,5%)Б13К4 и подвергался механоактивации в планетарной центробежной мельнице «Пульверизетте-
Рисунок 1. Морфология частиц нанопорошка нитрида кремния
5» в течение 5 минут со скоростью вращения размольных твердосплавных шаров 300 об/мин. Далее полученные порошковые композиции Си^3И4 прессовались на гидравлическом прессе ПСУ-50 с давлением прессования от 30 до 70 МПа в таблетки нанопорошковой псевдолигатуры Си-(2,5%...7,5%^^4 диаметром 18±0,2 мм, высотой до 2 мм, массой до 3 грамм, с относительной плотностью от 78 до 90%. В проводимом исследовании применялись нанопорошковые псевдолигатуры с пористостью 15.. .18%, так как более пористые прессованные образцы осыпались, что приводило к невозможности точного определения количества вводимой армирующей фазы нитрида кремния.
В стальном тигле печи ОКАР1САКВО готовился расплав алюминия марки А7 ГОСТ 11069-2001 или алюминиевого сплава марки АК12 ГОСТ 1583-93 с температурой расплава от 850 до 1000°С. Масса плавки составляла 0,1.0,2 кг. Таблетка нанопорошковой лигатуры вводилась в расплав и расплав периодически перемешивался вручную стальным прутком диаметром 10 мм для ускорения растворения таблетки и равномерного распределения армирующей фазы Si3N4 в расплаве. Время выдержки расплава при заданной температуре составляло 30 - 45 минут. Во время периодического перемешивания прутком ощущалось, уменьшаются габариты таблетки или нет, то есть происходит ее растворение или нет. По окончании времени выдержки расплав перемешивался и заливался в стальной кокиль для получения цилиндрического образца литого АМКМ. Если таблетка нанопорошковой псевдолигатуры не растворилась в расплаве или растворилась частично, то после заливки расплава в кокиль она оставалась на дне тигля.
В работе исследовалось также влияние обработки алюминиевого расплава электромагнитными акустическими полями (ЭМАП) на растворимость вводимых нанопорошковых псевдолигатур. Обработку осуществляли с помощью генератора «Сонар», который генерирует электромагнитные волны радиочастотного диапазона. Генератор
акустических колебаний согласно работе [27] размещали вблизи тигля с расплавом. В качестве излучателя электромагнитных волн, погруженного в алюминиевый расплав после ввода нанопорошковых псевдолигатур, использовалась проволока в виде петлеобразной антенны диаметром до 3 мм. В процессе экспериментов варьировалась частота электромагнитного поля от 500 до 1000 кГц.
Микроструктуру полученных образцов АМКМ определяли на электронном микроскопе TESCANVegaSB, химический состав - с помощью энергодисперсионного детектора микрорентгеноспектрального анализа INCAx-act на этом же электронном микроскопе, твердость образцов - методом Бринелля.
Результаты и их обсуждение
Чтобы понять влияние меди, которая присутствует в составе нанопорошковой псевдолигатуры Cu-Si3N4, на структуру и химический состав АМКМ, сначала вводились чисто медные таблетки, полученные прессованием медного порошка без добавления нанопорошка Si3N4. Медные таблетки растворялись полностью в расплаве А7 и АК12 при любой температуре расплава от 850 до 1000°С. На рисунках 2 и 3 представлены микроструктуры образцов А7 и АК12 до и после ввода медных таблеток массой 3 грамма без воздействия ЭМАП и с воздействием ЭМАП.
Рисунок 2. Микроструктура образцов без ввода таблеток: а - алюминий марки А7; б - сплав АК12
Согласно рисунку 3, а, в структуре полученного литого образца из алюминия А7 с введенной медью (без воздействия ЭМАП) наблюдается наличие хрупких интерметаллидных ободков (А12Си) по границам дендритных ветвей. По-видимому, эвтектические включения А12Си растворились в твердом растворе при воздействии ЭМАП (рисунок 3, в), поэтому в данном образце наблюдается однофазная гомогенная структура.
Рисунок 3. Микроструктура образцов после ввода медных таблеток при 900°С в расплав: а - А7 (без воздействия ЭМАП); б -АК12 (без воздействия ЭМАП); в - А7 (с воздействием ЭМАП); г - АК12 (с воздействием ЭМАП)
В структуре литого образца из алюминиевого сплава АК12 с введенной медью, как без воздействия ЭМАП (рисунок 3, б), так и с воздействием ЭМАП (рисунок 3, г), наблюдается эвтектика (а-А1+Б1) и кристаллы кремния.
Химический состав этих образцов алюминиевых сплавов, полученных при растворении медных таблеток при 900°С, представлен в таблице 1.
Таблица 1. Химический состав образцов алюминиевых сплавов
на основе А7 и АК12
Материал основы Воздействие ЭМАП Элементный состав, % (вес.)
С О А1 Си Ag Бе
А7 Нет 5,13 3,17 87,38 0,28 2,97 1,07 0
А7 Есть 6,22 3,3 85,84 1,05 2,79 0,68 0,12
АК12 Нет 4,85 2,07 77,36 12,1 2,33 1,2 0,09
АК12 Есть 5,74 2,73 75,25 12,21 2,68 1,29 0,1
При вводе в алюминиевые расплавы А7 и АК12 нанопорошковых псевдолигатур, содержащих 2,5 и 5% нанопорошка Б13К4, наблюдалось их
полное растворение в процессе плавок, как с воздействием ЭМАП, так и без воздействия ЭМАП. Увеличение содержания нанопорошка до
7,5% в составе псевдолигатур Си-Б^^, приводило к практически полному нерастворению таблеток в процессе плавок А7 и АК12, как с воздействием ЭМАП, так и без воздействия ЭМАП. На рисунке 4 представлен внешний вид таблетки псевдолигатуры Си-7,5%Б13К4, не растворившейся в процессе плавки алюминия А7 с воздействием ЭМАП и оставшейся на дне тигля после выливания расплава в кокиль.
*
Рисунок 4. Внешний вид таблетки нанопорошковой псевдолигатуры Си-7,5%Б13К4, не растворившейся в процессе плавки А7 с воздействием ЭМАП при 900°С
Варьирование температуры расплава от 850°С до 1000°С при вводе нанопорошковой псевдолигатуры Си-7,5%Б13К4 существенного влияния на её растворимость не оказало. В процессе экспериментов было установлено, что оптимальная температура ввода нанопорошковой псевдолигатуры Си-5%Б13К4 составляет 900°С, так как в интервале температур от 850°С...900°С эта псевдолигатура растворяется частично, полное растворение ее наблюдается при 900°С, поэтому дальнейшее повышение температуры не целесообразно из-за повышенного расхода энергии на нагрев расплава и повышенной опасности его окисления.
В таблице 2 представлен химический состав литых образцов АМКМ на основе А7 и АК12 после ввода нанопорошковых псевдолигатур, содержащих максимальное количество (5%) Б13К4, которое удалось ввести.
Таблица 2 - Химический состав полученных образцов АМКМ на основе А7 _ и АК12 после ввода псевдолигатур Си-5%Б13К4_
Материал основы Воздействи е ЭМАП Элементный состав, % (вес.)
N А1 Си Ag О С Бе
А7 Нет 0,18 0,21 94,11 2,58 0,97 1,41 0,54 0
А7 Есть 0,15 0,22 89,27 2,43 1,14 1,53 5,11 0,15
АК12 Нет 0,21 12,23 81,47 2,65 0,91 1,21 1,32 0
АК12 Есть 0,19 12,12 79,32 2,16 1,2 2,07 2,85 0,09
Согласно таблицам 1 и 2, в составе литых образцов на основе А7 и АК12 присутствуют кислород и углерод, наличие которых можно объяснить тем, что перемешивание расплавов в процессе плавки проводилось вручную при открытой печи, а также загрязнением шлифов при их изготовлении и анализе. Необходимое число оборотов перемешивания, при котором наблюдалось наиболее равномерное распределение упрочняющей фазы 813^ во всём объёме расплава в тигле, определялось по зависимости, представленной в работе [28], с учетом габаритов тигля, приспособления для перемешивания, свойств упрочняющей фазы и т.д. Общее время перемешивания составило 6 минут: средняя скорость перемешивания расплава - 5 об./мин. в течение 1 - 2 минут с интервалом в 5 минут. Нужное количество оборотов приспособления для перемешивания составило 30.60. Перемешивание расплава с числом оборотов менее 30 практически не влияет на распределение упрочняющей фазы 813^. Авторы работ [28-30] отмечают, что с увеличением времени перемешивания усвоение армирующих частиц снижается, что связано с частичным выводом из расплава изначально усвоенных расплавом частиц упрочняющей фазы за счет действия центробежных сил, которые оттесняют наночастицы к стенкам тигля и на поверхность расплава. Согласно работе [29] в производственных условиях проводить перемешивание целесообразно определенными периодами перед заливкой расплава в форму.
На рисунке 5 представлены микроструктуры полученных образцов АМКМ на основе А7 и АК12 после ввода нанопорошковых псевдолигатур Си-5%8^4 при 900°С без воздействия ЭМАП и с воздействием ЭМАП.
Согласно рисунку 5, а в структуре литого образца на основе алюминия марки А7, полученного без воздействия ЭМАП, основой является твердый раствор на основе алюминия с небольшими прожилками избыточных фаз (А12Си). В структуре литого образца на основе алюминия А7, полученного с воздействием ЭМАП (рисунок 5, в), медь находится как в первичных кристаллах алюминия, так и в фазе А12Си. В структуре литого образца на основе алюминиевого сплава АК12, полученного без воздействия ЭМАП (рисунок 5, б), наблюдается эвтектика (а-А1+81) и кристаллы кремния. В структуре литого образца на основе АК12, полученного с воздействием ЭМАП (рисунок 5, г), присутствует эвтектика, а кремниевая фаза располагается по границам дендритных ячеек в виде отдельных включений. Так как в исследуемые алюминиевые сплавы А7 и АК12 вводилось малое количество нитрида кремния, обнаружить эту фазу металлографическим способом не удалось. Однако, если сравнить данные таблиц 1 и 2, то на основании наличия азота и кремния в химическом составе полученных литых образцов, в которых в процессе плавки полностью растворились пседолигатуры, содержащие 5% нанопорошка 813^, можно утверждать, что нанопорошок нитрида кремния усвоился расплавом и вошел в качестве армирующей фазы в состав АМКМ. Такое
предельное для растворимости псевдолигатуры содержание нанопорошка (5%) в ней является типичным для различных нанопорошковых лигатур [9, 23-25].
Рисунок 5. Микроструктура образцов АМКМ после ввода нанопорошковой псевдолигатуры Си-5%813К4 при 900°С в расплав: а -А7 (без воздействия ЭМАП); б -АК12 (без воздействия ЭМАП); в -А7 (с воздействием ЭМАП); г -АК12 (с воздействием ЭМАП)
Оно объясняется тем, что растворимые в расплаве частицы металлического порошка-носителя (в нашем случае, меди) обволакиваются нерастворимыми керамическими наночастицами, и при содержании 4-5% последних слой нерастворимых наночастиц становится сплошным и не позволяет частицам порошка-носителя контактировать с расплавом и растворяться в нем, в связи с чем нанопорошковая псевдолигатура перестает растворяться в расплаве. При содержании 5% Б13К4 в 3 граммах псевдолигатуры Си-Б13К4, растворенной в 197 граммах алюминиевого расплава, получается АМКМ, армированный 0,075% Б13К4. Такое малое предельное содержание наноразмерной армирующей фазы в алюмоматричных композитах является также типичным [9, 23-25].
Из приведенных выше результатов также следует, что существенного влияния на растворимость нанопорошковых псевдолигатур Си-Б13К4 в алюминиевых расплавах А7 и АК12 ЭМАП не оказывает. В отсутствие
ЭМАП и при введении излучателя время растворения нанопорошковых псевдолигатур Си-813^ составляло в среднем 30 - 45 минут.
На рисунке 6 представлена зависимость твердости полученных литых образцов (на основании среднего значения твердости по пяти замерам на каждом образце) от их состава, в том числе от содержания нанопорошка 813^ в применяемых псевдолигатурах.
НВ. МПа
Рисунок 6. Гистограмма изменения твердости в полученных литых образцах различного состава: 1 - АК12; 2 - АК12+3%Си; 3 - АК12+3%(Си-2,5%813^); 4 - АК12+3%(Си-5%813^); 5 - АК12+3%(Си-7,5%813^); 6 - А7; 7 - А7+3%Си; 8 - А7+3%(Си-2,5%813^); 9 - А7+3%(Си-5%813^); 10 - А7+3%(Си-7,5%813^)
Согласно рисунку 6, в полученных образцах на основе АК12 твердость изменяется по шкале НВ в пределах от 55 до 65 МПа (в соответствии с ГОСТом 1583-93 твердость сплава АК12 составляет по шкале Бринелля 50 МПа). В литых образцах на основе А7 твердость изменялась в пределах от 23 до 26 МПа (в соответствии с ГОСТом 11069-2001 твердость литого сплава А7 составляет 20 МПа). Повышение твердости наблюдается в образцах, в которых был осуществлен ввод меди и нанопорошковых псевдолигатур, содержащих 2,5 и 5% упрочняющей фазы 813^. При вводе в алюминиевые сплавы нанопорошковых псевдолигатур Си-7,5%813^ твердость полученных образцов понижалась, что связано с отсутствием растворимости или очень малой растворимостью вводимых нанопорошковых псевдолигатур при содержании 7,5%813^.
Заключение
Применение нанопорошковых псевдолигатур Си- 813^ позволяет ввести в алюминиевые расплавы АК12 и А7 наночастицы 813^ и получить АМКМ, армированные наночастицами 813^. Доля нанопорошка 813^, полученного по азидной технологии СВС и используемого в качестве армирующей фазы в прессованном в виде таблетки образце нанопорошковой псевдолигатуры Си-813^ не может быть более 5%. При содержании наночастиц 813^ более 5% приготовленные псевдолигатуры
практически не растворяются в алюминиевых расплавах даже при температурах вплоть до 1000°С.
Таким образом, оптимальное содержание упрочняющей нанопорошковой фазы Si3N4 в нанопорошковой псевдолигатуре Cu- Si3N4, прессованной с порошком-носителем медью, составляет 5%. Температура алюминиевого расплава для полного растворения псевдолигатур, содержащих 2,5 и 5% упрочняющей фазы Si3N4, должна быть не менее 900°С.
Существенного влияния на растворимость нанопорошковых псевдолигатур Cu-Si3N4 в алюминиевых расплавах электромагнитные акустические поля не оказывают.
Список литературы
1. Karl U. Kainer. Metal Matrix Composites. Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2006.
2. Rana R.S., Purohit R., Das S. Review of recent studies in Al matrix composites // Int. J. of Sci. & Eng. Research. 2012. Vol. 3. No. 6. P. 1-16.
3. Амосов, А.П. СВС алюминокерамических композитов / А.П. Амосов, Е.И. Латухин, А.Р. Луц, Ю.В. Титова, Д.А. Майдан // Технологическое горение: Коллективная монография / Под общ. ред. С.М. Алдошина, М.И. Алымова. — М.: ИПХФ РАН-ИСМАН, 2018. С. 287-315.
4. Курганова, Ю.А. Эксплуатационные характеристики алюмоматричных дисперсно-упрочненных композиционных материалов и перспективы их использования на современном рынке конструкционных материалов / Ю.А. Курганова, Т.А. Чернышова, Л.И.Кобелева, С В. Курганов // Металлы. - 2011. - № 4. - С. 71 - 75.
5. Костиков, В.И. Разработка упрочненных наночастицами алюмокомпозитов для ракетно-космической техники / В.И. Костиков, Л.Е. Агуреев, Ж.В. Еремеева // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. - 2014. - №1. - С. 35 - 38.
6. Панфилов А.В. Современное состояние и перспективы развития литых дискретно-армированных алюмоматричных композиционных материалов // Литейщик России. 2008. №7. С. 23-28.
7. Петрунин А.В., Панфилов А.В., Панфилов А.А. О влиянии модифицирования наноразмерными тугоплавкими частицами на структуру и свойства алюмоматричных композитов // Литейное производство. 2009. №10. С. 17-20.
7. Разработка металлокомпозитов на основе алюминия, упрочненных наночастицами тугоплавких соединений / Анисимов О.В., Костиков В.И., Лобачева Е.В., Пузик В.И., Штанкин Ю.В. // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2011. №3. С. 33-39.
8. Манолов В., Черепанов А., Лазарева Р., Константинова С. Влияние нанопорошковых инокуляторов на структуру и свойства сплава AlSi7Mg // Литейное производство. 2011. №4. С. 17-20.
9. Крушенко Г.Г. Роль частиц нанопорошков при формировании структуры алюминиевых сплавов // Металлургия машиностроения. 2011. №1. С. 20-24.
10. Borgonovo C., Apelian D. Manufacture of aluminum nanocomposites: a critical review // Materials Science Forum. 2011. Vol. 678. P. 1-22.
11. Casati, R. Metal Matrix Composites Reinforced by Nano-Particles - A Review / R. Casati, M. Vedani. // Metals. - 2014. - No. 4. - P. 65-83.
12. Витязь, П. А. Технологические основы синтеза композиционных наноструктурированных материалов на основе алюминиевых сплавов / П. А. Витязь, В.Т. Сенють, М.Л. Хейфец, С.Ф. Соболь, А.Г. Колмаков // Наукоемкие технологии в
машиностроении. - 2016. - № 8. - С. 3-12. 13.Алымов, М.И. Порошковая металлургия нанокристаллических материалов / М.И. Алымов. - М.: Наука, 2007. - 169 с.
14. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. - 2-е изд., испр. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. -416 с.
15. Рыжонков, Д.И. Наноматериалы [Текст]: учеб. пособие / Д.И. Рыжонков, В.В. Левина, Э.Л. Дзидзигури. - М.: БИНОМ, Лаб. знаний, 2008. - 365 с.
16. Nanomaterials and related products: catalogue and price-list. URL: http://www.plasmachem.com/download/ PlasmaChem-General_Catalogue_Nanomaterials_2017 (дата обращения 06.01.2019).
17. http://plasmotherm.ru/catalog/karbidi_nitridi/item_94.html (дата обращения 17.02.2019).
18. Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов. М.: Машиностроение-1, 2007.
19. Амосов А.П., Бичуров Г.В. Азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза микро- и нанопорошков нитридов. М.: Машиностроение-1, 2007.
20. Амосов А.П., Титова Ю.В., Майдан Д.А., Ермошкин А.А., Тимошкин И.Ю. О применении нанопорошковой продукции азидной технологии СВС для армирования и модифицирования алюминиевых сплавов // Известия вузов. Цветная металлургия. 2015 - № 1. - С. 68 - 74.
21. Напалков В.И., Махов С.В. Легирование и модифицирование алюминия и магния. М.: МИСИС, 2002. - 376 с.
22. Патент № 2475334 РФ. Способ получения модификатора для доэвтектических алюминиево-кремниевых сплавов. / Г.Г. Крушенко, М.Н. Фильков // Опубл. 20.02.2013.
23. Крушенко Г.Г. Средства и технологии увеличения содержания нанопорошков в алюминиевых модифицирующих прутках // Нанотехника. 2011. №3. С. 55-64.
24. Кузина А.А., Титова Ю.В. Получение нанопорошковых псевдолигатур Cu-AlN для модифицирования алюминиевых сплавов // Вестник СамГТУ. Серия «Технические науки». 2017. №4 (56). С. 166-173.
25. Titova Y.V., Sholomova A.V., Kuzina A.A., Maidan D.A., Amosov A.P. Azide SHS of aluminium nitride nanopowder and its application for obtaining Al-Cu-AlN cast nanocomposite // IOP Conference Series: Material Science and Engineering, 2016. Vol. 156. No. 012037. P. 1-7.
26. Белова Г.С., Титова Ю.В., Майдан Д.А., Амосов Е.А. Получение нановолокон нитрида кремния по азидной технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер. технические науки. 2016. № 3 (51). С. 109-117.
27. Тимошкин И.Ю., Никитин К.В., Никитин В.И., Деев В.Б. Влияние обработки расплавов электромагнитными акустическими полями на структуру и свойства сплавов системы Al-Si // Известия вузов. Цветная металлургия. 2016. №3. С. 28-33.
28. Панфилов А.В. Литые композиционные материалы, армированные тугоплавкими дисперсными частицами // Литейное производство. 1983. №6. С. 15-18.
29. Калинина Н.Е., Кавац О.А., Калинин В.Т. Модифицирующая обработка литейных силуминов дисперсными композициями // Авиационно-космическая техника и технология. 2008. №7. С. 16-19.
30. Михайленко К.В., Чернега Д.Ф., Могилатенко В.Г. К вопросу об усваимости тугоплавких соединений жидкими алюминиевыми сплавами // Процессы литья. 1996. №1. С. 3-10.
Kuzina Antonina Aleksandrovna, senior lecturer (e-mail: [email protected])
Samara National Research University named after academician S. P. Korolev (Samara University), Samara, Russia
Amosov Aleksandr Petrovich, Dr. Sc., professor, head of department (e-mail: [email protected])
Titova Yuliya Vladimirovna, Cand. Tech. Sci., associate professor
(e-mail: [email protected])
Samara State Technical University, Samara, Russia
APPLICATION OF NANOPOWDER PSEUDO-MASTER ALLOY
Cu-Si3N4 FOR REINFORCEMENT OF ALUMINUM ALLOYS
Abstract. This article describes the results of reinforcement of aluminum alloys of grades AK12 and A7 by nanoparticles of silicon nitride (Si3N4) obtained by azide technology of self-propagating high-temperature synthesis (SHS-Az). Si3N4 nanoparticles were introduced into an aluminum melt in the composition of nanopowder pseudo-master alloy Cu - Si3N4 containing from 2.5 to 7.5% (wt.) Si3N4 nanopowder. The nanopowder pseudo-master alloy was made in the form of pressed tablet with a diameter of 18±0,2 mm, a height of up to 2 mm from a mixture of powders Cu and Si3N4 weighing up to 3 grams, with a relative density of up to 90%. The mixture of powders was obtained by mechanical activation of initial powders (copper powder of PMS-1 brand with a particle size of 20 to 100 pm and silicon nitride nanopowder of SHS-Az brand with a particle size of about 100 nm) in the PULVERISETTE-5 planetary mill for 5 minutes at a speed of rotation of grinding balls of 300 rpm, followed by pressing the prepared compositions in a cylindrical mold on a hydraulic press of PSU-50 with a pressing pressure of up to 70 MPa. Reinforcement of aluminum alloys was carried out in a furnace of the type GRAFICARBO in a steel crucible for melting a mass of 0.1 to 0.2 kg. The temperature of the melt was varied from 850 to 1000 °C. The effect of treatment of molten aluminum by electromagnetic and acoustic fields (EMAF) on the solubility of the introduced nanopowder pseudo-master alloys was studied. Microstructures of the obtained cast samples of aluminum-matrix composite materials after reinforcement are presented. It was established that limit the solubility of the strengthening phase Si3N4 is observed at the introduction into the alloy AK12 and A7 in the composition of the nanopowder pseudo-master alloy Cu-5%Si3N4.
Keywords: aluminum alloy, silicon nitride, nanoparticles, powder of copper, pseudo-master alloy, reinforcement, composite, microstructure, mechanical properties.
