CC BY
32
Процеси кристалiзацil i полiпшення структури плiвок приводять до змiни електропроввдносп плiвок. За рахунок зменшення центов розсшвання електроп-ровщтсть плiвок зростае. Виявлено, що процеси мо-дифтацп залежать вiд параметрiв процесу обробки -часу взаемоди i концентрацп атомарного водню. 3i збiльшенням юнцентраци атомарного водню зб^шуеть-ся ефективтсть змiни електропровiдностi плiвок.
Отже, обробка плiвок Ni атомарним воднем дозво-ляе полiпшити структуру тонких металевих плiвок i змiнити ix електрофiзичнi властивостi при температурах, близьких до к1мнатних. За результатами дослщ-ження видаешься можливим створення технологи низь-котемпературного нанесення тонких металевих птвок з полiпшеними параметрами на рiзнi дiелектричнi по-криття.
Список л^ератури
1. Пат. 6423201 США, МПК{7} C 23 C 28/02; Applied Materials, Inc., Mandrekar Tushar. - N 09/644968; Заявл. 23.08.2000; Опубл. 23.07.2002; НПК 205/186.
2. Чапланов А. М., Маркевич М.И., Чапланов А. М., Маркевич М. И. // Неорган. материалы. - 2003. - Т.39, №3. - С. 322-324.
3. Шур В.Я., и др. // Физика твердого тела. - 2001. - Т. 43, № 5. - С. 869-873.
4. Пат. 5918150 США, МПКМПК{6} H 01 L 21/3065; Nguyen Tue, Maa Jer-Shen; Sharp Microelectronics Technology; Sharp K. K. - N 08/729567; Заявл. 11.10.96; Опубл. 29.1.99; НПК 438/687.
5. Лавренко В. А. Рекомбинация атомов водорода на поверхности твердых тел. - К.: Наукова думка, 1973. -204 с.
6. Shiraishi M., Sachse J.-U., Lemke H., Weber J. // Science and Engineering B. - 1999. - Vol.58, Issue 1-2. - P. 130-133.
7. Ливинов В.Л., Демаков К.Д. и др. // Физика и техника полупроводников. - 2003. - Т.37, №4. С. 473-478.
8. Дзюбенко Г.А., Лавренко В.А., Непочатов А.Н. //Журнал физической химии. - 1965. - Т. 39. - В. 10. -С. 2622-2626.
9. Галактионова Н.А. Водород в металлах. - М.: Металлургия, 1967. - 304 c.
10. Водород в металлах // Под ред. Г.Алефельда, И.Фель-келя. - М.: Мир, 1978. - Т.1. - 475 с.
11. Комник Ю.Ф. Физика металлических пленок. Размерные структурные эффекты. М.: Атомиздат, 1977. - 264 с.
12. Имашев Р.Н., Коледов В.В. и др. // ФТТ. - 2005, Т.47, №10. - С.1869-1870.
13. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Ренгеног-рафический и электроннооптический анализ. Приложения. М.: Металлургия, 1970. - 107 с.
14. Гельд П.А., Рябов Р.А, Мохрачева Л.П. Водород и физические свойства металлов и сплавов: гидриды переходных металлов. - М.: Наука, 1985. - 232 с.
Одержано 11.10.2006
Исследовано влияние атомарного водорода на электрофизические и структурные свойства тонких пленок никеля, полученных термическим вакуумным испарением на диэлектрические подложки. Образцы обрабатывались при температуре 300+310 К, давлении -20 Па и концентрации атомарного водорода 1018 +1019м-3. Показано, что обработка пленок в среде атомарного водорода приводит к изменению их электрофизических и структурных параметров. Выявлен механизм изменения параметров пленок, объясняющий результаты исследования.
The influence of atomic hydrogen on electrophysical and structural properties of Ni thin films received by thermal vacuum evaporation on dielectrical surface was studied. The samples were processed at the temperature 300+310 К, -20 Pa pressure and concentration of atomic hydrogen 1018+1019 m-3. It was shown that film processing in atomise hydrogen environment caused their electrophysical and structural parameters change. The film parameters changing mechanism which explains experimental results was found.
УДК 621.762
Д-р техн. наук Л. Р. Вишняков, канд. техн. наук В. П. Мороз, канд. техн. наук Б. Н. Синайский, О. П. Яременко, В. А. Коханый, В. Т. Варченко
Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАНУ, г. Киев
СТРУКТУРА И НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ОКСИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ НА ОСНОВЕ МУЛЛИТА И АРМИРОВАННЫХ ИМИ КОМПОЗИТОВ С АЛЮМИНИЕВОЙ МАТРИЦЕЙ
Рассматриваются вопросы разработки перспективных оксидных кристаллов на основе муллита, полученных методом кристаллизации из раствора в расплаве и их применение в качестве наполнителя алюминиевых матриц для создания способом вакуумно-компрессионной пропитки алюмокомпозитов триботехнического назначения.
© Л. Р. Вишняков, В. П. Мороз, Б. Н. Синайский, О. П. Яременко, В. А. Коханый, В. Т. Варченко, 2006
ISSN 1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2006 27
Введение
Современный этап развития композиционных материалов (КМ) характеризуется разработкой новых технологических схем получения армирующих элементов, оптимизацией параметров производственных процессов и требует дальнейших углубленных исследований. Остро стоит вопрос и об освоении выпуска ранее разработанных армирующих наполнителей из малодефицитного сырья, чтобы существенно расширить использование армированных ими КМ.
В Институте проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины в 1970-1980 г.г. были разработаны способы получения оксидных соединений на основе муллита, в виде игольчатых и пластинчатых кристаллов, которые предназначались для применения в КМ [1, 2]. Ожидаемая низкая стоимость таких соединений связывалась с разработкой производительной технологии и решением экологических вопросов, особенно при выделении оксидных кристаллов из продуктов плавления исходных компонентов, когда из технологии следует исключить ранее применявшиеся концентрированные кислоты.
В настоящей работе представлены результаты исследований, направленных на создание технологии получения кристаллов на основе муллита способом кристаллизации из расплава в растворе с применением растворения продукта плавления в воде и их использования в качестве наполнителя алюминиевых матриц для разработки алюмокомпозитов триботехни-ческого назначения. Такие КМ представляют существенный интерес для ряда областей техники, где применение материалов на основе алюминия, несмотря на весовые преимущества, ограничено из-за высокой склонности алюминиевых сплавов к схватыванию с сопряженной поверхностью трения в условиях нагру-жения, особенно при работе без смазки [3].
Материалы и методика исследования
Для получения способом кристаллизации из расплава в растворе кристаллов муллита (3А1203-28Ю2) в качестве исходного сырья использовали кремниевую кислоту, глинозем и борный ангидрид. Выбор исходных компонентов объясняется тем, что 8102 и А1203 являются главными муллитообразующими оксидами, а В2О3 выступает в роли плавня-минерализатора, который понижает температуру плавления шихты, способствует образованию кристаллов с бездефектной поверхностью и растворению застывшего монолитного расплава в воде. Шихту готовили сухим перемешиванием в барабане с фарфоровыми шарами. Подготовленную смесь загружали в графитовый тигель и плавили на установке с использованием высокочастотного нагрева. Кристаллизация происходила при скорости охлаждения расплава 10-15 град/сек. Расплав застывал в виде монолита, который в течение 48 часов отмывали горячей водой, декантируя растворившиеся бораты. В дальнейшем отмытые кристаллы просуши-
вали до постоянного веса в сушильном шкафу при температуре 120 °С, получая готовый продукт.
Для определения состава и структуры кристаллов были проведены кристаллооптические, микрорентге-носпектральные и рентгенофазовые исследования. Методом микроиндентирования [4] определяли модуль их упругости и твердость.
Из полученных кристаллов были спрессованы заготовки с пористостью 48-52 %, которые подвергали пропитке алюминиевым сплавом на вакуумно-комп-рессионной установке [5], состоящей из вакуумной печи и автоклава. Особенностью пропитки при получении КМ является выполнение раздельных операций: расплавление алюминиевой матрицы с совмещением расплава с пористой заготовкой (в вакуумной печи) и последующее доуплотнение под давлением нейтрального газа (аргона) в автоклаве. При этом пористую заготовку укрепляли в стальной струбцине и помещали в графитовый тигель, заполненный сплавом алюминия. В наших экспериментах использовали сплав АК12 следующего состава, %: А1 - основа; Mg -0,03; Мп -0,06; 81 - 11,59; Бе - 0,50; гп - 0,21; Си - 0,04; Т1 -0,01; РЬ - 0,001. В автоклаве, куда переносили тигель с погруженной в расплаве заготовкой, создавали давление до 4 МПа в течение 30 с. Пропитанный образец после охлаждения отделяли от струбцины и механически обрабатывали. Исследованиям подвергали образцы КМ, содержащие 50-52 об.% оксидного наполнителя, на которых определяли плотность, модуль упругости, твердость и предел прочности при изгибе.
Исследование триботехнических свойств образцов КМ проводили на машине трения М-22м по схеме " вал-вкладыш" с определением износа и коэффициента трения при использовании в качестве контртела кольца из стали СТ45 с твердостью ИЯС 50-55 и шероховатостью поверхности Ка равной 0,63-0,32 мкм [6, 7].
Результаты исследований
Типичная структура оксидных кристаллов (рис. 1) представляет собой четырехгранные призмы, длина которых на порядок превышает размеры поперечного сечения. Методом кристаллооптического анализа установлено, что показатели преломления оксидных кристаллов Н = 1,630; Нр = 1,610. Это соответствует аналогичным показателям твердого раствора муллита 3А1203-28Ю2 [1]. Рентгенофазовый анализ, проведенный на дифрактометре НТГ, установил наличие 90 % муллитовой фазы в твердом растворе. Качественный анализ химического состава, выполненный на установке "САМЕВАХ-8Х-50", показал, что полученные кристаллы имеют неоднородный состав, в который, кроме муллита, входит алюминий и кремний. Содержание бора в кристаллах незначительно.
Результаты определения некоторых свойств полученных оксидных кристаллов на основе муллита и композита с матрицей из сплава АК12 с армирующим наполнителем представлены в табл. 1. В качестве на-
полнителя КМ использовали частицы с соотношением длины к их среднему размеру поперечного сечения, равном ~ 11. Здесь же для сравнения приведены данные по сплаву АК12. Как показывают результаты определения механических свойств (табл. 1), твердость и модуль упругости кристаллов оказались достаточно высокими. Увеличиваются также свойства КМ по сравнению с матрицей. Так, модуль упругости композита увеличился в 1,5-2,0 раза, а твердость - в 3,5 раза по сравнению с матричным сплавом АК12.
Рис. 1. Структура монокристаллов муллита
Таблица 1 - Физико-механические свойства оксидных кристаллов и алюмокомпозита на их основе
Модуль Твер- Плот- Предел
Состав упругости дость, ность прочности
Е, ГПа ГПа р, г/см3 МПа
Оксидные кристаллы 187±11 18,7±2,1 2,5-2,8 -
Сплав АК12 (матричный) 87±2 1,2±0,1 2,8 200-240
Композит:
(сплав АК12 + 50 об.% 143±13 4,6±1,7 2,652,7 220-260
кристаллов)
Известно, что для упрочнения металлокомпозитов, армированных дискретными волокнами, существенными факторами являются высокая прочность наполнителя, определенное соотношение длины к диаметру волокон и достижение достаточной прочности связи на границе раздела волокно-матрица [8]. Для исследуемого КМ можно считать справедливой формулу Келли:
I / а > ^
2т '
где 1/а- отношение длины волокна к его диаметру, ($В)в - предел прочности волокна при растяжении, 1- касательное напряжение на границе раздела волокно-матрица.
Расчет показывает, что в соответствии с этой формулой для композитов алюминий - кристаллы муллита отношение Ш не должно быть менее десяти. Для нашего случая, когда Ш =11, следовало бы ожидать упрочнения композита. Однако, как показывают результаты испытаний композита на изгиб (табл. 1), по-
лученные кристаллы незначительно упрочнили матрицу. Это можно связать с несовершенством и недостаточной прочностью самих кристаллов либо с особенностями структуры границы раздела волокно-матрица.
Влияние структуры границ фаз на характер поведения оксидных кристаллов при разрушении изучали с использованием метода растровой электронной микроскопии с поэлементным рентгеноспектральным микроанализом. Из рассмотрения изломов образцов следует, что кристаллы распределены в матрице достаточно равномерно. При этом выявляется два характерных вида кристаллов, которые присутствуют в матрице: с сохранением исходной формы (рис. 2, —а, —б) и формоизмененных с разрушением путем расслоения по длине (рис. 2. - в). В последнем случае наблюдаются признаки вытягивания кристаллов в матрице.
Анализ концентрационных профилей распределения алюминия, кислорода и кремния по сечению единичного кристалла и прилегающей к нему зоны взаимодействия с матрицей (рис. 3) позволяет заключить, что эта зона обогащена кремнием. Это можно объяснить химическим взаимодействием кристаллов на основе муллита и кремнийсодержащей матрицы, в результате чего образуются соединения, обогащенные кремнием.
1«
Рис. 2. Типичная микроструктура поверхности разрушения композита (РЭМ-изображение)
Несмотря на отсутствие упрочнения в исследованных КМ, применение оксидных наполнителей в алюминиевой матрице оказалось перспективным в связи с их высокой твердостью и жесткостью. Известно, что сплавы алюминия, содержащие дисперсные фазы высокой твердости, отличаются повышенным сопротивлением к схватыванию, особенно при высоких скоростях скольжения [3]. Результаты триботехнических испытаний образцов композита и матрицы АК12 приведены в табл. 2. Интенсивность износа пары трения оценивали линейным и массовым методами при сухом трении и со смазкой маслом И20. Температуру образца при трении в зоне контакта измеряли хромель-копелевой термопарой. Испытания вели при постоянной скорости скольжения (V = 1 м/с) при удельных давлениях от 0,8 до 8,0 МПа, путь трения составлял 1 км.
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудуеант №2, 2006
29
=
о
г
>.
3
Е
Ё =
£
Е
К
о2
В А1
о т >1
з
3
о2
200, мкм
Рис. 3. Концентрационные профили распределения алюминия, кислорода и кремния по сечению кристалла и прилегающей к
нему зоны взаимодействия с матрицей
Таблица 2 - Триботехнические свойства композита и матрицы АК12
№ п.п. Состав Скорость скольжения V, м/с Удельное давление Р, МПа Коэффициент трения f Линейный износ пары трения, 1л мкм/км Массовый износ образца 1м г/км Температура композита г, °С
при сухом трении
1 Композит (АК12 + 50 % об. кристаллов) 1,0 0,8 1,6 2,4 3,2 0,41 0,44 0,54 0,55 19,0 16,0 24,0 60,0 0,53 1,46 2,8 5,6 30,0 41,0 68,0 98,0
2 Сплав АК12 (матричный) 1,0 0,8 1,6 2,4 3,2 0,52 0,51 0,44 0,45 37,0 81,0 107,0 161,0 1,6 5,3 8,3 12,2 32,0 48,0 58,0 82,0
со смазкой маслом И20
3 Композит (АК12 + 50 % об. кристаллов) 1,0 2,0 4,0 6,0 8,0 0,16 0,14 0,127 0,105 4,5 4,5 7,5 7,5 0,17 0,15 0,10 0,10 37,0 58,0 73,0 84,0
Установлено, что при сухом трении при увеличении удельной нагрузки коэффициент трения алюмо-композита при больших удельных давлениях (2,4; 3,2 МПа) незначительно увеличивается. В то же время износостойкость материала повышается в 2,0^4,0 раза. На поверхности трения контртела при контакте с образцом из матричного материала при увеличенной нагрузке видны участки схватывания, наблюдаются следы пластического течения алюминиевого сплава. Такое же увеличение нагрузки на образцах композита не приводит к появлению следов схватывания за счёт образования выступов из оксидного наполнителя и вытеснения матричного материала из зоны трения. Испытания со смазкой маслом И20 при граничном трении показали существенное уменьшение коэффициента трения при одинаковых удельных давлениях. Линейный износ уменьшался в 3-4 раза, а массовый износ - в 10-15 раз.
Таким образом, установлено, что композит на основе алюминиевого сплава АК12, армированный кристаллами муллита, может эффективно работать как подшипниковый материал в паре с конструкционными сталями при скоростях скольжения 1,0 м/с и удель -ных давлениях до 3 МПа -для сухого трения и до 8 МПа - для трения со смазкой. Это делает разработанный КМ привлекательным для практического использования в технике.
Выводы
1. Методом кристаллизации из раствора в расплаве получены оксидные кристаллы на основе муллита 3А1203Ч28Ю2 с выделением кристаллов путем растворения застывшего расплава в воде, исследована их структура и некоторые свойства.
2. Методом вакуумно-компрессионной пропитки получены алюмокомпозиты, армированные оксидны-
ми кристаллами, которые имеют высокие значения твердости и модуля упругости по сравнению с алюминиевой матрицей.
3. Введение в алюминиевый сплав твердых, высокомодульных наполнителей в виде оксидных кристаллов муллита повышает износостойкость композитов, особенно при работе со смазкой, что дает основание рекомендовать полученный алюмокомпозит для использования в качестве подшипникового материала в узлах трения машин и механизмов.
Список литературы
1. Грошева В.М., Карпинос Д.М., Панасевич В.М. Синтетический муллит и материалы на его основе. - К.: Тех-нжа, 1971. - 55 с.
2. А.с. №403281 (СССР) Способ получения монокристаллов дисперсных неорганических окисных материалов.
B.И.Павликов, В.А.Артемов, С.Г. Тресвятский. - 1973.
3. Чернышова Т.А., Кобелева Л.И., Болотова Л.К.. Дискретно-армированные композиционные материалы с матрицами из алюминиевых сплавов и их трибологи-ческие свойства // Металлы, 2001, №6. - С.85-98.
4. Дуб С.Н., Новиков Н.В. Испытания твердых тел на на-нотвердость // Сверхтвердые материалы, 2004, № 6. -
C. 16-33.
5. Вишняков Л.Р., Кладницкий Е.И., Коханый В.А. Композиционные материалы алюминий-углеродные волокна, полученные способом вакуумно-компрессионной пропитки // Междн. конф. "Новейшие процессы и материалы в порошковой металлургии- 97". Сб-к тез. докладов. - Киев, 264 с.
6. Полотай В.В. Машины для испытания на трение и износ // Технология и организация производства. 1970, № 6. - С. 86-88.
7. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах. -К.: Технжа,1970. - 396 с.
8. Карпинос Д.М., Тучинский Л.И., Вишняков Л.Р. Новые композиционные материалы. - К.: Вища школа, 1977. - 310 с.
Одержано 26.07.2006
Розглядаються питання розробки перспективних оксидних кристалгв на основi мулгту, одержаних методом кристалгзацИ з розчину в розплавi та гх використання як наповнювача алюмШевих матриць для створення методом вакуумно-компресшного просочування алюмокомпозитiв триботехтчного призначення.
The questions of perspective oxide crystals development on mullite base was studied. These crystals were received by crystallization method from solution in melt and their application as Al matrix filling for Aluminium composite of tribotechnicalpurpose produced by vacuum compression impregnation method.
ISSN 1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2006 31
