CC BY
44
УДК 621.746 doi: 10.18577/2071-9140-2015-0-3-64-68
А.И. Ковтунов1, Ю.Ю. Хохлов1, С.В. Мямин1
ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ И СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ ПЕНОМАТЕРИАЛОВ
Предложена жидкофазная технология формирования композиционных пеноматериалов: пеноалюминий-титан, пеноалюминий-железо, пеноалюминий-никель. Проведены испытания прочности сцепления слоев пенокомпозита, прочности при сжатии и плотности материала.
Ключевые слова: пеноалюминий, композиционный материал, алюминиевый расплав, флюс, гранулы.
A liquid-phase technology formation of foamed aluminum-titanium, foamed aluminum-iron, and foamed aluminum-nickel composite materials has been offered. Tests of bonding strength of foamed composite layers, compression strength and material density have been done.
Keywords: foamed aluminum, composite material, aluminum melt, flux, granules.
"'Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тольяттинский государственный университет» [Togliatti State University] E-mail: [email protected]
Введение
Пеноалюминий обладает рядом уникальных свойств, благодаря которым находит применение в промышленности. Однако механические свойства пеноалюминия из-за повышенной пористости остаются невысокими. Для повышения механических свойств изделий из пеноалюминия предложено применять композиционный материал -пеноалюминий-титан [1]. Для производства композиционных материалов осуществляли совместную прокатку титана и пеноалюминия. Механические свойства таких материалов повышались в несколько раз. Прочность при изгибе составляла >50 МПа при сравнительно низкой плотности - на уровне 0,7 г/см3 [1]. Недостатком этой технологии является высокая трудоемкость процесса, что ограничивает перспективы применения предложенных композиционных материалов.
Материалы и методы
С учетом проводимых работ по исследованию процессов производства пеноалюминия фильтрацией через водорастворимые соли [2-4] предложено формировать композиционные слоистые материалы непосредственно при литье пеноалю-миния. При этом сплошной армирующий материал предварительно устанавливается в форму перед заполнением водорастворимых гранул (рис. 1). В качестве армирующего материала может использоваться не только титан, но и другие конструкционные металлические материалы.
Исследования процессов жидкофазного формирования пенокомпозитов и их свойств проводили с применением листовой арматуры из титана, никеля и стали в условиях Тольяттинского государственного университета. Листы предварительно подвергали травлению, покрывали их поверхность флюсом на основе эвтектической системы КР-А1Р3, который обеспечивает хорошее смачи-
вание титана, никеля и стали алюминием [5-7]. Алюминирование листов проводили окунанием в алюминиевый расплав при температуре 700-750°С. Перед установкой листов в форму их поверхность покрывали флюсом той же системы.
Для литья пенокомпозита использовали металлическую форму с нижним подводом металла и с размером рабочей полости под отливку 100^100x20 мм. Температура заливки формы сплавом марки АК12 составляла 800-820°С. Температуру формы с гранулами из хлорида натрия при заливке устанавливали на уровне 500°С.
Прочность сцепления слоев композита определялась на специально изготовленных образцах при отрыве (рис. 2, а); испытания при сжатии проводили для образцов из пеноалюминия и композиционного материала (рис. 2, б).
Химический состав переходного слоя композиционных материалов определяли на комплексе сканирующего электронного микроскопа LEO 1455 VP (фирма ZEISS, Германия) с блоками рентгеновского энергетического спектрометра INCA Energy-300 и рентгеновского волнового спектрометра INCA Wave-500.
Результаты и обсуждение
Проведенные исследования подтвердили возможность формирования пенокомпозитов жидко-фазным способом (рис. 3). Слой пеноалюминия отличался равномерной пористостью с размером пор, соответствующим размеру применяемых гранул.
Принятая схема подготовки поверхности листового материала обеспечила адгезионную связь армирующего материала и пеноалюминия. Прочность сцепления слоев в зависимости от применяемого металлического листа составляла не менее 1,8-11 МПа. Разрушение всех образцов происходило по переходному интерметаллидному слою
12 3 4 5 6
Рис. 1. Схема литья композиционного пеноматериала:
1 - правый полукокиль; 2 - левый полукокиль; 3 - листовая арматура; 4 - гранулы из водорастворимых солей; 5 - питатель; 6 - стояк
Рис. 2. Схема испытаний образцов при отрыве слоев композита (а) и при сжатии (б)
Рис. 3. Внешний вид слоистого композиционного материала
Рис. 5. Микроструктура переходного слоя композиционного материала: а - пеноалюминий-титан; б - пеноалюминий-никель; в - пеноалюминий-СтЗ; г - пеноалюминий-сталь 12Х18Н9Т
Таблица 1
Прочность сцепления слоев пенокомпозита
Материал Прочность сцепления слоев, МПа (не менее)
Пеноалюминий- титан 11
Пеноалюминий- Ст3 1,8
Пеноалюминий- никель 4,41
Пеноалюминий- -сталь 12Х18Н9Т 2,26
Таблица 2
Прочность и плотность пенокомпозитов
Материал Толщина пластин, мм Плотность, г/см3 Предел прочности при сжатии, МПа
Пеноалюминий - 1-1,2 11-12
Пеноалюминий-титан 1,35 1,3-1,5 65-70
Пеноалюминий-Ст3 1,2 1,7-1,8 40-45
Пеноалюминий-никель 2 2,4-2,5 70-75
Пеноалюминий-сталь 12Х18Н9Т 2 2,3-2,4 99-105
(рис. 4). Наиболее высокие значения наблюдались при использовании титана и никеля (табл. 1), что, вероятно, связано с более высокой прочностью интерметаллидов титана и никеля, образующихся при формировании композита, по сравнению с прочностью интерметаллидов железа [8].
При армировании композита титаном на границе титана и пеноалюминия формировалась несплошная цепочка интерметаллидов с содержанием титана ~30%, алюминия 26-36% и кремния 3442% (рис. 5). Толщина интерметаллидного слоя не превышала 1,5 мкм. Несплошность промежуточного интерметаллидного слоя и относительно высокая прочность алюминидов титана обеспечили высокие показатели прочности сцепления титана и пеноалюминия в композиционном материале.
Использование никеля приводит к формированию сплошного переходного интерметаллидного слоя толщиной 5-10 мкм на основе фазы №2М3, легированной кремнием - до 6%.
Армирование сталью Ст3 вследствие образования на границе слоев композита хрупкой интерме-таллидной фазы Fe2Al5, легированной до 12% кремния, не позволяет достичь высоких показателей прочности сцепления слоев композита.
Использование вместо углеродистой стали легированной стали марки 12Х18Н9Т незначительно повысило прочность сцепления слоев, что объясняется легированием интерметаллидного слоя хромом и никелем, которые повышают проч-
ность интерметаллидов железа [8, 9]. Толщина переходного слоя составляла 14-16 мкм (см. рис. 5).
Испытания при сжатии образцов пенокомпози-та показали, что значения предела прочности зависят от природы составляющих композита и толщины армирующего листа. Прочность при сжатии полученных пенокомпозиционных материалов в 4-10 раз выше, чем пеноалюминия. Более высокие значения прочности композита с арматурой из стали марки 12Х18Н9Т обусловлены и большой толщиной используемого листа, и высокими механическими свойствами стали марки 12Х18Н9Т. Однако применение арматуры с высокой плотностью значительно повышает плотность композиционного материала (табл. 2).
Заключение
Показана возможность получения композиционных материалов пеноалюминий-титан, пе-ноалюминий-никель, пеноалюминий-сталь жид-кофазным способом. Предложенный жидкофаз-ный способ обеспечивает одновременное формирование композиционного материала и слоя пе-ноалюминия при заливке.
Композиционные материалы, полученные по жидкофазной технологии, по сравнению с пе-ноалюминием имеют более высокие значения прочности при сжатии при незначительном повышении плотности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Полькин И.С. Пеноалюминий будущего - пеноком-
позит //Технология легких сплавов. 2006. №1-2. С. 210-211.
2. Ковтунов А.И., Семистенов Д.А., Хохлов Ю.Ю., Чермашенцева Т.В. Тепловые условия формирова-
ния пеноалюминия фильтрацией через водораство-
римые соли //Литейщик России. 2011. №6. С. 43-45.
3. Ковтунов А.И., Семистенов Д.А., Хохлов Ю.Ю., Чермашенцева Т.В. Исследование процессов формирования пеноалюминия фильтрацией через водорастворимые соли //Технология легких сплавов. 2011. №4. С. 74-78.
4. Ковтунов А.И., Хохлов Ю.Ю., Семистенов Д.А. Ис-
следование физико-механических свойств пеноалюминия, полученного фильтрацией через водорастворимые соли //Заготовительные производства в машиностроении. 2012. №6. С. 37 -47.
5. Ковтунов А.И., Мямин С.В. Исследование техноло-
гических и механических свойств слоистых тита-ноалюминиевых композиционных материалов, полученных жидкофазным способом //Авиационные материалы и технологии. 2013. №1. С. 9-12.
6. Ковтунов А.И., Чермашенцева Т.В., Мямин С.В. Ис-
следование процессов жидкофазного формирования покрытий на основе алюминидов никеля //Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. №4. С. 24-28.
7. Ковтунов А.И., Мямин С.В., Чермашенцева Т.В. Ис-
следование процессов смачивания стали алюминием при производстве слоистых композитов //Сварочное производство. 2011. №3. С. 8-11.
8. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металлове-
дение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: МИСиС. 1999. 416 с.
9. Галян Н.Н., Рябцев А.Д. Получение алюминидов железа методом электрошлакового переплава //Металлургия и обработка металлов. 2003. №.6. С. 20-22.
