CC BY
206
УДК 620.18:620.17
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА БОРАЛЮМИНИЕВЫХ КОМПОЗИТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКОЙ
© 2011 С.В. Гладковский, Т.А. Трунина, Е.А. Коковихин, С.В. Смирнова,
И. С. Каманцев
Институт машиноведения УрО РАН, г. Екатеринбург
Поступила в редакцию 04.04.2011
Методом горячей прокатки получены слоистые алюмоматричные композиты с включениями карбида бора различной дисперсности. Исследованы структура, распределение микротвердости и механические свойства композитов.
Ключевые слова: горячая прокатка, боралюминиевые композиты, прочность
В атомном машиностроении большие перспективы для применения имеют алюмоматричные композиты, дисперсно-упрочненные частицами карбида бора. Использование алюминия и его сплавов в качестве матрицы обеспечивает повышенные тепло-физические свойства композита при хорошей обрабатываемости. Применение в составе композита борсодержащих порошков в нанораз-мерном состоянии приводит к увеличению степени радиационной защиты деталей и элементов конструкций по сравнению с используемыми в настоящее время материалами [1]. В настоящее время известны различные способы получения алюмоматричных композитов, в частности, армированных частицами карбида бора. К ним относятся: твердофазное или жид-котвердофазное компактирование порошковых смесей; литейные технологии пропитки пористых каркасов из порошков или механического замешивания наполнителей в расплавы; газотермическое напыление композиционных смесей и др. [2]. Выбор состава порошковой смеси алюминия и карбида бора в значительной мере определяется способом её дальнейшей обработки с целью получения композита.
Гладковский Сергей Викторович, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией деформирования и разрушения. E-mail: gsv@imach. uran.ru
Трунина Татьяна Ароновна, кандидат технических наук, старший научный сотрудник. E-mail: trunina@imach. uran. ru
Коковихин Евгений Алексеевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Смирнова Светлана Валерьевна, аспирантка, инженер. E-mail: [email protected] Каманцев Иван Сергеевич, инженер. E-mail: [email protected]
В настоящей работе представлены результаты исследования структуры и свойств боралюминиевых композитов, полученных методом горячей прокатки. Прокатку заготовок проводили на прокатном стане Дуо с диаметром валков 255 мм и длиной бочки 200 мм, при скорости прокатки 0,01-0,05 м/с. В качестве материала для листовых заготовок использовали алюминиевый сплав марки АМг3 и сплав из группы авиалей марки АВ (ГОСТ 4784). В состав порошковой смеси был введен карбид бора с размерами частиц < 20 мкм (микрофракция) и наноразмерный порошок (нанофрак-ция). Дисперсность порошков карбида бора оценивалась с помощью сканирующего электронного микроскопа «Tescan VEGA II XMU» (рис. 1, а-б). В качестве наполнителя применяли промышленные алюминиевые порошки двух размерных фракций. Борсодержащие порошки были изготовлены на опытном заводе ФГУП «УНИХИМ» (г. Екатеринбург). В процессе исследования была выбрана группа подходящих связующих веществ; отработана система операций для подготовки поверхности заготовок; определена оптимальная конструкция пакетов для горячей прокатки с пониженной вероятностью окисления.
Прокатка заготовок композитов проводилась при температурах ниже температуры плавления использованных алюминиевых сплавов со степенью обжатия не менее 50%. В результате реализации предложенной технологической схемы на основе горячей прокатки получены боралюминиевые композиты 4 различных составов.
Рис. 1. Общий вид порошка В4С микро-(а) и нанофракции (б)
Между листовыми заготовками из алюминиевых сплавов формировался прочно сваренный с ними алюмоматричный слой с включениями частиц карбида бора, который в ходе прокатки приобрел форму отдельных вытянутых фрагментов (рис. 2). Структуру слоев сплава АВ в составе композита исследовали металлографическим методом с помощью микроскопа «NEOPHOT-21», а микротвердость определяли на микротвердомере «LEICA» по Виккерсу. При горячей прокатке композита зерна алюминиевого сплава АВ в листовых заготовках вытягиваются в направлении прокатки. При этом поперечный и продольный размеры зерен варьируются в пределах 20-80 и 40-250 мкм соответственно (рис. 3). Большая степень разнозернистости определяется сложным характером процесса структу-рообразования данного сплава при горячей пластической деформации, включающего динамическую полигонизацию и начальную стадию динамической рекристаллизации [3].
Рис. 3. Структура сплава АВ в составе композита после горячей прокатки
Микротвердость внешних слоев композита существенно превышает исходные значения НУ сплавов АВ и АМг3, а также значения микротвердости центрального слоя из смеси порошков с карбидом бора (рис. 4). Наличие более прочной оболочки обеспечивает целостность и жесткость слоистого боралюминиевого композита.
HVd.D
Рис. 2. Зоны соединения листовой оболочки из алюминиевого сплава АВ с порошком, содержащим карбид бора, после горячей прокатки
дв АВ
Порош.слой
АВ исход.
од 0 0,75 1,15 1,5 2 2,75 3,25 5,75
h, мм
НУо.к»
1 АМгЗ АМгЗ
Порош,
:лои
АМгЗ исход.
к 0,1 0,25 0,4 (»,55 0,7 0,9 1,05 1,2 . О Ь, мм
Рис. 4. Распределение микротвердости по сечению композитов на основе АВ (а) и на основе АМг3(б) с порошковыми прослойками
Механические свойства исходных материалов и композитов определяли при испытаниях на одноосное растяжение плоских образцов длиной 90 мм, шириной рабочей части 8 мм и толщиной 2 и 4 мм по ГОСТ 1497-84 с применением сервогидравлической испытательной машины Instron-8801. Усредненные значения механических свойств, рассчитывались по результатам испытаний не менее двух образцов каждого материала. Механические свойства исходных материалов и композитов, полученные при t =200С, приведены в таблице.
Таблица. Механические свойства боралюминиевых композитов и исходных материалов
Материал Оо,2 Ов 8
М [Па %
1 композит на основе сплава АВ с
прослойкой из порошков А1+В4С (нанофракция) 165 189 9 15
2 композит на основе сплава
АМгЗ с прослойкой из порошков А1+В4С (нанофракция) 236 273 3 11
3 композит на основе сплаваАМг3
с прослойкой из порошков А1+В4С (микрофракция) 176 226 5 16
4 композит на основе сплава АМгЗ 220 256 6 22
с прослойкой из порошка А1
5 Сплав АВ 160 240 20 25
6 Сплав АМгЗ 126 230 27 29
Боралюминиевый композит на основе сплава АМг3 с наноразмерным карбидом бора (№ 2 в таблице), имеет наибольшие значения предела текучести (о0,2), временного сопротивления (ов), и наименьшие значения относительного удлинения (5) и сужения (у). В группе композитов на основе сплава АМг3 наименьшую прочность имеет композит с прослойкой, содержащей частицы В4С в микродиапазоне (< 20 мкм) (№ 3). Полученный результат соответствует данным работы [2] о более низкой прочности и пластичности при растяжении алюмоматричных дисперсно-упрочненных композитов по сравнению с матричными сплавами. Это связано с тем, что преимущественное зарождение трещин происходит на поверхностях раздела или в участках скопления крупных частиц армирующего вещества. В случае применения наноразмерного борсодержащего порошка в структуре композита такого явления не наблЮдагдуат отметить, что отношение о0,2/ов для всех типов композитов (в том числе без борсодержащего порошка) составляет 0,86-
0,98, а для исходных материалов соответствует величине 0,53. Это свидетельствует о снижении способности композиционных материалов к дальнейшему пластическому деформированию. На рис. 5 приведены диаграммы «напряжение-деформация», полученные при растяжении плоских образцов из сплава АМг3 в исходном состоянии и композита с наноразмер-ными частицами борсодержащего порошка (№ 2 в таблице).
3001-
I 200
и
N
Е
а
а 100
Я -100
-10 О 10 20 30 40
Я Деформация при растяжении (%)
Я
-lOöl-Р-1-(-1-»-(-1-»-(-Р-1-(-1-
-10 1 г э а s в
б Деформация при .................. 1
Рис. 5. Диаграммы растяжения образцов бора-люминиевого композита из сплава АМг3 (а) из с карбидом бора нанофракции (б)
Диаграммы и данные таблицы показывают, что сплав АМг3 в исходном состоянии претерпевает до разрушения значительные деформации. Боралюминиевый композит на основе сплава АМг3 с наноразмерным карбидом бора характеризуется по сравнению с исходным сплавом АМг3 повышенными на 40-110 МПа прочностными свойствами при удовлетворительных показателях пластичности. Сравнение данных замера микротвердости и механических испытаний (рис. 4 и таблица) показывает, что при сопоставимой прочности и микротвердости внешних слоев более тонкая центральная порошковая прослойка в композите на основе сплава АМг3 по сравнению с композитом на основе сплава АВ позволяет получить повышенные прочностные свойства при несколько меньших показателях пластичности.
Выводы: показана возможность получения боралюминиевого композита методом горячей прокатки. Изготовленные по предложенной
технологии слоистые композиционные материалы обладают повышенными прочностными свойствами по сравнению с металлом основы. Наиболее высокий уровень прочности достигается в композитах, содержащих наноразмер-ные порошковые прослойки. При сопоставимой прочности и микротвердости внешних металлических слоев увеличение толщины порошковой прослойки приводит к снижению прочностных и увеличению пластических свойств боралюминиевых композитов.
Авторы выражают благодарность за помощь в проведении экспериментов старшему научному сотруднику ИМАШ УрО РАН, к.т.н. Вичужанину Д.И.
Работа выполнена при частичной поддержке Программы Президиума РАН № 22 «Фундаментальные проблемы механики взаимодействий в технических и природных системах» и Гранта РФФИ-Урал (проект 10-02-96041)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Калошкин, С.Д. Металломатричные сложнона-полненные композиционные материалы на основе алюминиевых сплавов / С.Д. Калошкин, В.В. Чер-дынцев, М.В. Горшенков и др. // Сб. тезисов докладов научно-технологических секций. Международный форум по нанотехнологиям РОСНАНО. М., 2008. Т. 1. С. 447-449.
2. Чернышова, Т. Алюмоматричные композиционные материалы антифрикционного назначения / Т. Чернышова, Л. Кобелева, Л. Болотова, А. Панфилов // Международный виртуальный журнал для науки, техники и инновации для индустрии «Машины, Технологии, Материалы». URL: http://www.mech-ing.com/journal/2-3-2007. html
3. Горелик, С. С. Рекристаллизация металлов и сплавов. 3-е изд. / С.С. Горелик, С.В. Добаткин, Л.М. Капуткина. - М.: МИСИС, 2005. 432 с.
STRUCTURE AND PROPERTIES OF BORON-ALUMINIUM COMPOSITES RECEIVED BY HOT ROLLING
© 2011 S.V. Gladkovskiy, T.A. Trunina, E.A. Kokovihin, S.V. Smirnova,
I.S. Kamantsev Institute of Engineering Science UB RAS, Ekaterinburg
By method of hot rolling are received layered alumo-matrix composites with inclusions of boron carbide various dispersion. The structure, distribution of microhardness and mechanical properties of composites are investigated.
Key words: hot rolling, boron-aluminium composites, durability
Sergey Gladkovskiy, Doctor of Technical Sciences, Professor, Chief of the Deformation and Fracture Laboratory. E-mail: [email protected] Tatiana Trunina, Candidate of Technical Sciences, Senior Research Fellow. E-mail: [email protected]
Evgeniy Kokovikhin, Candidate of Technical Sciences, Senior Research Fellow Svetlana Smirnova, Post-graduate Student, Engineer Ivan Kamantsev, Engineer. E-mail: [email protected]
