CC BY
15
DOI: 10.47581/2021/SMTT/34.1.006
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА АЛЮМОМАТРИЧНЫХ
КОМПОЗИТОВ
Махонина Юлия Владимировна, аспирант Рыбаков А.Д., аспирант (email: cullenbella97@mail.ru) Самарский государственный технический университет, Самара, Россия
в данной работе произведен анализ полученных результатов механических свойств алюмоматричных композитов, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, после проведения термической обработки.
Ключевые слова: термическая обработка, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, механические свойства, алюмоматричный композит.
Алюминиевые сплавы всегда вызывали наибольший интерес из-за своей легкой массы, недефицитности и ценовой доступности, но их мягкость и низкая температура плавления сильно ограничивают область их применение. Создание композиционных сплавов с алюминиевой матрицей и различными керамическими наполнителями помогло существенно расширить область применения традиционных промышленных алюминиевых сплавов. Алюмоматричные композиционные материалы, дисперсно армированные тугоплавкими наночастицами карбида титана, из-за своих потенциально высоких свойств представляют огромный интерес для использования в различных отраслях производства: автомобилестроении, авиастроении и прочих. Однако в настоящее время наноструктурные алюминиевые композиционные материалы массово не производятся. Это связано с незавершенностью научно-технических основ создания подобных материалов, не позволяющих получать сплавы с заданными значениями физико-механических и эксплуатационных свойств с частицами наноразмерной армирующей фазы. Применение метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) позволило достичь значительных успехов в получении композитов систем Al-TiC. Учеными СамГТУ ранее были проведены исследования по легированию матричной основы, в результате которых было выявлено, что введение в расплав алюминия элементных порошков меди, марганца, никеля, а также шихты из порошков титана и углерода с добавлением 5% соли Na2TiF6 позволяет провести процесс СВС в расплаве алюминия с последующим получением наноструктурных композиционных сплавов, отличающихся повышенными механическими и эксплуатационными (триботехническими) свойствами.
Данные исследования соответствуют приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники, а так же критическим технологиям.
При помощи метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза были синтезированы алюмоматричные композиты различных систем: А1-10%Т1С; (А1-5%Си)-10%Т1С; (А1-2%Мп-4%№)-10%Т1С; (А1-5%Си-2%Мп-4%№)-10%Т1С. После проведения дополнительных операций, таких как шлифовка и полировка, на всех образцах был произведен замер твердости по Бринеллю, полученные результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Твердость по Бринеллю алюмоматричных _композитов различных систем_
А1 А1-10%Т1С А1-5%Си (А1- 5%Си)-10%Т1С (А1-2%Мп-4%№)-10%Т1С (А1-5%Си-2%Мп-5%№)-10%Т1С
НВ, МПа 18,2 25,5 52,8 63,0 59,3 98,0
Анализируя полученные данные можно сделать следующие выводы:
- синтез керамической фазы карбида титана в алюминиевой матрице влияет на повышение твердости сплава (например, чистый алюминий НВ = 18,2 МПа, алюминий с частицами карбида титана НВ = 25,5 МПа - что практически в 1,5 раза больше);
- введение легирующих элементов в матрицу композиционного сплава влияет на повышение твердости сплава (например, чистый алюминий НВ = 18,2 МПа, алюминий + 5% меди НВ = 52,8 МПа - что практически в 3 раза больше).
Таким образом на твердость синтезированного алюмоматричного композита влияет не только наличие упрочняющих частиц керамической фазы Т1С, но также наличие легирующих элементов в матрице сплава.
Как известно, в легированных алюминиевых сплавах наибольший упрочняющий эффект достигается в результате дисперсионного твердения после проведения термической обработки. По результатам термодинамического анализа системы, в результате проведения ТО в легированных сплавах должны образоваться следующие интерметаллидные фазы: А12Си, Л16Мп, А1№. А13№, А13М2, которые обладают упрочняющим эффектом и могут существенно повысить физико-механические и эксплуатационные свойства сплава. Поэтому, для достижения более высоких механических свойств, было принято решение подвергнуть образцы термической обработке.
На данный момент времени для алюмоматричных композитов нет установленных режимов проведения ТО, как, например, для алюминиевых сплавов. Анализируя литературу по термообработке алюминиевых литейных сплавов все авторы выделяют три оптимальных режима: отжиг, закалка, старение.
Проведя термодинамический анализ с использованием программы «THERMO» и исследуя диаграммы состояния различных двойных и тройных систем сплавов на основе алюминия, было принято решение проводить следующие режимы термообработки следующих систем:
- для алюмоматричного композита системы Al-10%TiC провести термическую обработку «отжиг 350 °С». Для этого материал необходимо поместить в разогретую до 350 °С муфельную печь и выдержать в течении 60 минут, далее извлечь из печи и охладить на воздухе;
- для алюмоматричных композитов систем (Al-5%Cu)-10%TiC; (Al-2%Mn-4%Ni)-10%TiC и (Al-5%Cu-2%Mn-4%Ni)-10%TiC провести термическую обработку по режиму «двухступенчатый нагрев под закалку 535 °С и 545 °С в воду + искусственное старение 175 °С». Для этого материал необходимо поместить в разогретую до 535 °С муфельную печь, выдержать в течении 60 минут, далее (не извлекая материал из печи) повысить температуру до 545 °С и выдержать еще в течении 60 минут, после чего охладить в воду.
Таблица 2 - Твердость по Бринеллю алюмоматричных композитов различных систем после проведения термической обработки
Al Al-10%TiC Al-5%Cu (Al-5%Cu)-10%TiC (Al-2%Mn-4%Ni)-10%TiC (Al-5%Cu-2%Mn-5%Ni)-10%TiC
Режим ТО Отжиг 350 Отжиг 350 Закалка Закалка Закалка Закалка
°С °С 535 °С; 535 °С; 535 °С; 535 °С;
545 °С 545 °С 545 °С 545 °С
Старение Старение Старение Старение
175 °С 175 °С 175 °С 175 °С
HB, МПа 31,1 41,0 100,6 112,0 62,0 193,4
Сводные данные для сравнения результатов представлены в таблице 3.
Таблица 3 - Твердость по Бринеллю алюмоматричных композитов _различных систем до/после термической обработки_
Al Al-10%TiC Al-5%Cu (Al-5%Cu)-10%TiC (Al-2%Mn-4%Ni)-10%TiC (Al-5%Cu-2%Mn-5%Ni)-10%TiC
HB, МПа до ТО 18,2 25,5 52,8 63,0 59,3 98,0
HB, МПа после ТО 31,1 41,0 100,6 112,0 62,0 193,4
увеличилась в «х» раз 1,71 1,61 1,90 1,78 1,04 1,97
Последним этапом термообработки является искусственное старение -выдержать материал в течении 60 минут в разогретой до 175 °С муфельной печи с дальнейшим охлаждением на воздухе.
После проведения термической обработки были получены следующие результаты, которые представлены в таблице 2.
Анализируя полученные данные и результаты термодинамического анализа можно сделать следующие выводы:
- в системе на основе А1-10%ТЮ после проведения термической обработки по режиму «отжиг 350 °С, 60 минут, охлаждение на воздухе» было достигнуто повышение твердости в 1,61 раз, что дает возможность говорить о том, что данный режим термообработки подходит для сплава этой системы;
- в системе на основе (А1-5%Си)-10%ТЮ после проведения термической обработки по режиму «закалка 535°С, 60 минут, 545 °С, 60 минут, охлаждение в воду + искусственное старение 175 °С, 60 минут» было достигнуто повышение твердости в 1,78 раз, что дает возможность говорить о том, что данный режим термообработки подходит для сплава этой системы, но необходимо доказать синтез предполагаемой упрочняющей фазы А12Си при помощи микроструктурного анализа;
- в системе на основе (А1-2%Мп-4%№)-10%Т1С после проведения термической обработки по режиму «закалка 535°С, 60 минут, 545 °С, 60 минут, охлаждение в воду + искусственное старение 175 °С, 60 минут» было достигнуто повышение твердости в 1,04 раза, что дает возможность говорить о том, что данный режим термообработки не подходит для сплава этой системы и предполагаемые упрочняющие фазы А13№, А13№2, А1№, А16Мп не образовались, но необходимо провести дополнительные исследования при помощи микроструктурного анализа;
- в системе на основе (А1-5%Си-2%Мп-4%№)-10%ТЮ после проведения термической обработки по режиму «закалка 535°С, 60 минут, 545 °С, 60 минут, охлаждение в воду + искусственное старение 175 °С, 60 минут» было достигнуто повышение твердости в 1,97 раз, что дает возможность говорить о том, что данный режим термообработки подходит для сплава этой системы и предполагаемые упрочняющие фазы А12Си, А13№, А13№2, А1№, А16Мп образовались, но необходимо провести дополнительные исследования при помощи микроструктурного анализа.
Используя таблицы сопоставления твердости и предела прочности на растяжение, получаем значения, представленные в таблице 5._
А1 А1-10%Т1С А1-5%Си (А1- 5%Си)-10%Т1С (А1-2%Мп-4%№)-10%Т1С (А1-5%Си-2%Мп-5%№)-10%Т1С
Ов, МПа после ТО -* -* 335 385 -* 660
*- для значений твердости в таблице не представлены значения предела прочности на растяжение
Таким образом, наиболее перспективной системой для дальнейших исследований становится система (Al-5%Cu-2%Ni-4%Mn)-10%TiC, так как наибольший эффект упрочнения от термообработки достигнут именно в ней.
Для того чтобы иметь полное представление об области применения сплава и его возможностях необходимо сделать микроструктурный анализ (для оценки равномерности распределения керамической фазы и интерме-таллидов, что обеспечит одинаковые свойства во всем материале, а не в отдельных его областях), рентгенофазовый анализ (для подтверждения наличия предполагаемых фаз), испытания на сжатие/разрыв (для определения области работ данного материала), триботехнические свойства (испытания на износ, проверка на возможность работы материала в условиях трения), ударная вязкость, литерные свойства (усадка, чтобы иметь представление о том, какое количество сплава необходимо закладывать, для получения детали требуемого размера), свариваемость (чтобы иметь представление о возможности соединения различных частей готового изделия) и так далее.
Список литературы
1. Луц А.Р., Макаренко А.Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез алюминиевых сплавов // М.: Машиностроение. - 2008.-175 с.: ил.
Makhonina Y.V., postgraduate student; Rybakov A.D., postgraduate student (email: cullenbella97@mail.ru) Samara State Technical University, Samara, Russia HEAT TREATMENT OF ALUMINUM COMPOSITES
Abstract: This paper analyzes the results obtained for the mechanical properties of aluminum-matrix composites obtained by self-propagating high-temperature synthesis after heat treatment.
Key words: heat treatment, self-propagating high-temperature synthesis, mechanical properties, aluminum-matrix composite.
