Структура и свойства спеченных сплавов на основе алюминия, полученных экструзией Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Современные инновации, системы и технологии // Modern Innovations, Systems and Technologies

2023;3(4) eISSN: 2782-2818 https://www.oajmist.com

УДК: 621.762 EDN: TONENF

DOI: https://doi.org/10.47813/2782-2818-2023-3-4-0208-0215

Структура и свойства спеченных сплавов на основе алюминия, полученных экструзией

Б. Ю. Прядезников1, А. А. Прядезникова1, П. П. Тарасов2, А. В. Шульгин1,

А. Ю. Шульгина1

1 Балтийский федеральный университет имени И. Канта, Калининград, Россия 2Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова, Якутск, Россия

Аннотация. В данной статье исследуются структура и свойства экструдированных спеченных сплавов на основе алюминия. Были изучены два метода получения сплавов: активированное жидкофазное спекание и интенсивная горячая обработка. Проведено сравнение механических свойств экструдированных сплавов с неэкструдированными аналогами. Результаты указывают на заметное увеличение прочности на разрыв в сплавах Al-Ni и Al-Fe, но снижение прочности в случае сплава Al-Ti. Однако выявлены наилучшие комплексные механические свойства у сплава Al-Ti. Металлографический анализ указал, что частицы переходных металлов не полностью соединились с алюминием. Фрактографические исследования выявили различные механизмы разрушения для каждого сплава: вязкий механизм для сплава Al-Ti, вязко-хрупкий для сплава Al-Fe и хрупкий для сплава Al-Ni. В целом, низкая прочность связана с использованием чистого алюминия в качестве матрицы сплавов.

Ключевые слова: порошковая металлургия, холодное прессование, спекание, алюминиевые порошковые, сплавы, фазовые превращения, горячая механическая обработка, экструзия, механические свойства, прочность, фрактография.

Для цитирования: Прядезников, Б. Ю., Прядезникова, А. А., Тарасов, П. П., Шульгин, А. В., & Шульгина, А. Ю. (2023). Структура и свойства спеченных сплавов на основе алюминия, полученных экструзией. Современные инновации, системы и технологии - Modern Innovations, Systems and Technologies, 3(4), 0208-0215. https://doi.org/10.47813/2782-2818-2023-3-4-0208-0215

Structure and properties of sintered aluminum-based alloys

produced by extrusion

B. Yu. Pryadeznikov1, A. A. Pryadeznikova1, P. P. Tarasov2, A. V. Shulgin1,

A. Yu. Shulgina1

1Kant Baltic Federal University, Kaliningrad, Russia 2North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov, Yakutsk, Russia

© Прядезников Б. Ю., Прядезникова А. А., Тарасов П. П., Шульгин А. В., Шульгина А. Ю., 2023 0208

Abstract. This article examines the structure and properties of extruded sintered aluminum-based alloys. Two methods for producing alloys have been studied: activated liquid-phase sintering and intensive hot processing. A comparison was made of the mechanical properties of extruded alloys with non-extruded analogues. The results indicate a noticeable increase in tensile strength in Al-Ni and Al-Fe alloys, but a decrease in strength in the case of Al-Ti alloy. However, the best complex mechanical properties of the Al-Ti alloy were revealed. Metallographic analysis indicated that the transition metal particles had not completely combined with the aluminum. Fractographic studies revealed different failure mechanisms for each alloy: ductile mechanism for Al-Ti alloy, ductile-brittle mechanism for Al-Fe alloy and brittle mechanism for Al-Ni alloy. In general, low strength is associated with the use of pure aluminum as the alloy matrix.

Keywords: powder metallurgy, cold pressing, sintering, aluminum powder, alloys, phase transformations, hot machining, extrusion, mechanical properties, strength, fractography.

For citation: Pryadeznikov, B. Y., Pryadeznikova, A. A., Tarasov, P. P., Shulgin, A. V., & Shulgina, A. Y. (2023). Structure and properties of sintered aluminum-based alloys produced by extrusion. Modern Innovations, Systems and Technologies, 3(4), 0208-0215. https://doi.org/10.47813/2782-2818-2023-3-4-0208-0215

ВВЕДЕНИЕ

Классический метод порошковой металлургии - холодное прессование с последующим спеканием широко применяется для получения изделий из железа и некоторых других металлов. Началу интенсивных работ по применению холодного прессования изделий из алюминия с последующим спеканием способствовали два обстоятельства: 1) получение в широких промышленных масштабах алюминиевого порошка с малым содержанием окиси алюминия; 2) введение в алюминиевый порошок с малым содержанием окисной фазы активирующих добавок, приводящих в процессе спекания к образованию жидкой фазы и механическому разрушению окисных покрытий на частицах вследствие диффузии через эти покрытия.

Таким образом, алюминиевые порошковые сплавы можно подразделить условно на 2 группы: 1) метод получения активированного жидкофазного спекания смесей порошков, после спекания подвергают холодному или горячему деформированию; 2) метод получения интенсивной горячей обработкой, приводящей к разрушению окислов и созданию прочных металлических связей между частицами, перед горячей механической обработкой часто подвергают предварительному спеканию предпочтительно в вакууме.

Горячей механической обработке подвергают прессованные заготовки предварительно легированных порошков и смесей порошков. Основное назначение этой

обработки - разрушить окисную пленку на поверхности частиц, диспергировать ее в матрице и тем самым обеспечить необходимые условия для прочной сварки частиц между собой; уплотнить материал и измельчить крупнозернистую структуру сплава, сформированную при жидкофазном спекании смесей. Хотя горячая механическая обработка является достаточно трудоемкой и дорогостоящей, в связи с исключительно высокой эффективностью она давно и широко применяется в промышленности. Методом экструзии алюминиевых порошков можно получать достаточно прочные изделия. Применение этого процесса целесообразно для переработки различных отсевов серийно выпускаемых порошковых сплавов, отходов алюминиевых сплавов, скрапа.

В работах [1-5] достаточно подробно исследованы процессы спекания системы «алюминий - переходной металл», в том числе и механические свойства. Легирующими добавками, вводимыми в порошок алюминия в количестве 10-20 ат.%, служили порошки переходных металлов Ti, Ni и Fe. Дилатометрические исследования экзотермического спекания систем Al-Ti, Al-Ni показали, что реакционное экзотермическое спекание идет с выделением тепла при образовании интерметаллидов [6,7]. Определен концентрационный и температурный интервал, при котором порошковые образцы сохранят форму.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В данной работе исследованы механические свойства сплавов после экструзии. Для изготовления экструдированных прутков из смесей Al-Ti, Al-Fe и Al-Ni использовались порошки алюминия марки ПА-4, титана марки ПТОМ, железа марки ПЖ4М3 и никеля марки ПНК. Концентрация переходных металлов в смесях составляла 15 ат.%. Из смесей прессовались цилиндрические заготовки диаметром 30 и высотой 6080 мм пористостью 20 %. Прессовки предварительно отжигались при 500 оС в течение 1 часа с целью удаления адсорбированных газов и влаги с поверхности частиц порошков, затем они спекались 1 час при 700 оС. Экструдирование спеченных сплавов осуществлялось с помощью горизонтального пресса через фильеру диаметром 10 мм. Температура экструдера поддерживалась при 420 оС. Перед экструдированием спеченные заготовки нагревались в воздушной атмосфере печи, в которой поддерживалась температура, равная 450 оС. Скорость экструдирования - 50 мм/сек.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В таблице 1 приведены результаты испытаний прочностных характеристик экструдированных сплавов. Как видно, по сравнению со сплавами без экструзии почти 2-х кратное увеличение прочности на разрыв достигнуто для сплавов Al-Ni, Al-Fe. В случае сплава Al-Ti наблюдается уменьшение прочности на разрыв. Результаты прочности на разрыв, спеченных сплавов без экструзии, получены из работы [5]. Однако, если сравнить по комплексу полученных данных (прочность на разрыв, твердость, удлинение, износостойкость) наилучший результат среди этих исследованных экструдированных сплавов получен у сплава системы Al-Ti. После экструзии можно было ожидать существенного повышения прочностных характеристик. Полученные низкие величины, по-видимому, связаны с тем, что матрица представляет собой чистый нелегированный алюминий.

Таблица 1. Результаты испытаний прочностных характеристик экструдированных

сплавов.

Table 1. Results of testing the strength characteristics of extruded alloys.

Материал Ов, Мпа S, % HR 15W Масса износа, гр

Al - 15aT.%Ti 190 (243)* 13,7 76,6 0,023

Al - 15aT.%Fe 150 (70)* 9,0 69 0,037

Al - 15ат.%№ 150 (83)* 4,9 73 0,025

• - данные из [5]

На образцах, испытанных на растяжение, были проведены фрактографические исследования и металлографический анализ. Результаты металлографического анализа и фрактографических исследований показали, что частицы переходных металлов крупные и не полностью прореагировали с алюминием (рисунок 1, рисунок 2).

Рисунок 1. Структура сплавов: а - Al-Ti; б - Al-Ni; в - Al-Fe. х1000 Figure 1. Structure of alloys: a - Al-Ti; b - Al-Ni; c - Al-Fe. x1000

Как показали фрактографические исследования, механизм разрушения для сплавов: Al-Ti - вязкий (больше доля вязкой составляющей, основой которой является алюминиевая матрица); Al-Fe - вязко-хрупкий (доля хрупкой составляющей, основой которой являются интерметаллидные фазы по сравнению со сплавом с добавкой титана увеличена); Al-Ni - хрупкий (доля хрупкой составляющей превалирует).

Анализ полученных результатов показал, что из исследованных экструдированных сплавов наибольшим комплексом механических свойств обладает сплав на основе Al-Ti, что может быть следствием благоприятного сочетания объемной доли упрочнителя. В целом низкие показатели прочности сплавов после экструзии можно связать с тем, что основой матрицы сплавов является чистый нелегированный алюминий.

Рисунок 2. Фрактография порошковых сплавов систем: а- Al-Ti; б- Al-Fe; в- Al-

Ni. х1000

Figure 2. Fractography of powder alloys systems: a-Al-Ti; b-Al-Fe; c-Al-Ni. x1000

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении данной научной статьи об экструзии алюминиевых порошковых сплавов можно отметить следующее:

1. Экструзия алюминиевых порошковых сплавов приводит к увеличению прочности на разрыв, твердости, и уменьшению удлинения сплавов Al-Ni и Al-Fe. Однако, сплав Al-Ti показал снижение прочности на разрыв после экструзии.

2. Металлографический анализ показал, что частицы переходных металлов в экструдированных сплавах крупные и не полностью прореагировали с алюминием.

3. Фрактографические исследования показали, что механизм разрушения для сплавов Al-Ti является вязким, для сплавов Al-Fe - вязко-хрупким, а для сплавов Al-Ni -хрупким.

4. Сплав на основе Al-Ti обладает наибольшим комплексом механических свойств после экструзии.

5. Низкие прочностные характеристики сплавов после экструзии могут быть связаны с использованием чистого нелегированного алюминия в матрице сплавов.

Таким образом, экструзия алюминиевых порошковых сплавов представляет интересную методологию для повышения прочностных свойств и улучшения механических характеристик данных сплавов. Дальнейшие исследования и оптимизация процессов экструзии могут способствовать развитию и расширению применения данных материалов в различных отраслях промышленности

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Русин Н.М., Савицкий А.П. Жидкофазное реакционное спекание порошковых смесей в системе алюминий-железо. Порошковая металлургия. 1993; 1: 28-32.

[2] Русин Н.М., Савицкий А.П., Тихонова И.Н. Спечённый сплав алюминия с добавками никеля. Порошковая металлургия. 1993; 9-10: 29-32.

[3] Русин Н.М., Савицкий А.П. Высокоплотный спечённый сплав Al-12,5 ат.% Fe. Порошковая металлургия. 1993; 11-12: 44-48.

[4] Русин Н.М., Савицкий А.П. Спечённый сплав Al-Ni с добавками графита. Порошковая металлургия. 1994; 3-4: 42-46.

[5] Русин Н.М. Закономерности спекания и свойства сплавов на основе алюминия с добавками переходных металлов. Дисс. на соискание ученой степени кандидата техн. наук. Томск; 1996. 201.

[6] Романов Г.Н., Тарасов П.П., Дьячковский П.К., Савицкий А.П., Марцунова Л.С. Дилатометрические исследования жидкофазного спекания системы Al-Ti. Известия Томского политехнического университета. 2006; 309(1): 114-120.

[7] Romanov G.N., ТагаБОУ P.P., D'yachkovskiy P.K., Savitskii A.P. Dilatometric research of liguid phase sintering Al-Ni system. V International Conference on Mechanochemistry and Mechanical Alloying. Novosibirsk; 2006: 184.

REFERENCES

[1] Rusin N.M., Savickij A.P. Zhidkofaznoe reakcionnoe spekanie poroshkovyh smesej v sisteme alyuminij-zhelezo. Poroshkovaya metallurgiya. 1993; 1: 28-32. (In Russian)

[2] Rusin N.M., Savickij A.P., Tihonova I.N. Spechyonnyj splav alyuminiya s dobavkami nikelya. Poroshkovaya metallurgiya. 1993; 9-10: 29-32. (In Russian)

[3] Rusin N.M., Savickij A.P. Vysokoplotnyj spechyonnyj splav Al-12,5 at.% Fe. Poroshkovaya metallurgiya. 1993; 11-12: 44-48. (In Russian)

[4] Rusin N.M., Savickij A.P. Spechyonnyj splav Al-Ni s dobavkami grafita. Poroshkovaya metallurgiya. 1994; 3-4: 42-46. (In Russian)

[5] Rusin N.M. Zakonomernosti spekaniya i svojstva splavov na osnove alyuminiya s dobavkami perekhodnyh metallov. Diss. na soiskanie uchenoj stepeni kandidata tekhn. nauk. Tomsk; 1996. 201. (In Russian)

[6] Romanov G.N., Tarasov P.P., D'yachkovskij P.K., Savickij A.P., Marcunova L.S. Dilatometricheskie issledovaniya zhidkofaznogo spekaniya sistemy Al-Ti. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. 2006; 309(1): 114-120. (In Russian)

[7] Romanov G.N., Tarasov P.P., D'yachkovskiy P.K., Savitskii A.P. Dilatometric research of liguid phase sintering Al-Ni system. V International Conference on Mechanochemistry and Mechanical Alloying. Novosibirsk; 2006: 184.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Прядезников Борис Юрьевич, младший научный сотрудник, лаборатория полимерных и композиционных материалов SmartTextйes, МНИЦ «РО», БФУ им. И.Канта, Калининград, Россия ORCГО: 0000-0001-8973-5553

Boris Pryadeznikov, Junior Researcher, Laboratory of Polymer and Composite Materials SmartTextiles, International Research Center "RO", IKBFU I. Kant, Kaliningrad, Russia

Прядезникова Айлита Александровна,

аналитик, лаборатория полимерных и композиционных материалов SmartTextiles, МНИЦ «РО», БФУ им. И.Канта, Калининград, Россия ORCГО: 0000-0001-8115-4850

Ailita Pryadeznikova, Analyst, SmartTextiles Laboratory of Polymer and Composite Materials, International Research Center "RO", IKBFU I. Kant, Kaliningrad, Russia

Тарасов Петр Петрович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедрs физика материалов и технологии сварки, ФТИ, СВФУ им. М.К. Аммосова, Якутск, Россия

ORCГО: 0000-0002-4892-0821

Petr Tarasov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Physics of Materials and Welding Technology, Physicotechnical Institute, NEFU. M.K. Ammosova, Yakutsk, Russia

Шульгин Алексей Викторович, инженер, лаборатория полимерных и композиционных материалов SmartTextiles, МНИЦ «РО», БФУ им. И.Канта, Калининград, Россия ORCГО: 0000-0002-3079-7757

Alexei Shulgin, Engineer, SmartTextiles Laboratory of Polymer and Composite Materials, International Research Center "RO", IKBFU I. Kant, Kaliningrad, Russia

Шульгина Анастасия Юрьевна, лаборант, лаборатория полимерных и композиционных материалов 8таГТехй1е8, МНИЦ «РО», БФУ им. И.Канта, Калининград, Россия

Anastasia Shulgina, Laborant, SmartTextiles Laboratory of Polymer and Composite Materials, International Research Center "RO", IKBFU I. Kant, Kaliningrad, Russia

Статья поступила в редакцию 03.12.2023; одобрена после рецензирования 10.12.2023; принята

к публикации 11.12.2023.

The article was submitted 03.12.2023; approved after reviewing 10.12.2023; accepted for publication

11.12.2023.