CC BY
9
-Ф-
-Ф-
_МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ__
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор Г.С. Гарибов
УДК 621.763
ВЛИЯНИЕ К2Т1Ре НА СВОЙСТВА И СТРУКТУРУ СЛОИСТЫХ КОМПОЗИТОВ СТАЛЬ-АЛЮМИНИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ ЖИДКОФАЗНЫМ СПОСОБОМ
С.В. Мямин, аспирант, А.И. Ковтунов, докт. техн. наук (Тольяттинский государственный университет, г. Тольятти,
e-mail: Oddknock@mail.ru)
Рассмотрен жидкофазный способ формирования слоистых композиционных материалов (СКМ) сталь-алюминий при активации поверхности фтористыми флюсами на основе KF-AIF3, а также смеси KF-AIF3 и ^TiFg. Исследованы температурные режимы жидкофазного формирования СКМ сталь-алюминий. Показано влияние добавок гексафтортитаната калия на структуру и свойства слоистых композитов, полученных жидкофазным способом.
Ключевые слова: слоистый композиционный материал, жидкофазное формирование, алюминий, титан, смачивание, интерметаллид, активирующий флюс.
The Effect of K2TiF6 on Properties and a Structure of Layered Steel-Aluminium Composites Produced via a Liquid-Phase Technique. S.V. Myamin, A.I. Kovtunov.
A liquid-phase technique of layered steel-aluminum composites formation including surface activation by KF-AF3 or a KF-AF3 and K2TF5 mixtures-based fluoride fluxes is discussed. Temperature conditions of liquid-phase formation of steel-aluminum composites have been investigated. The effect of potassium hexafluorotitanate addition on the structure and properties of the layered composites produced by the liquid-phase technique is shown.
Key words: layered composite, liquid-phase formation, aluminium, titanium, wetting, intermetallics, activating flux.
Слоистые композиционные материалы (СКМ) на основе стали и алюминия отличаются высокой коррозионной стойкостью, пониженным удельным весом и высокими прочностными свойствами [1]. Наиболее широко освоено их производство сваркой взрывом и совместной прокаткой. Однако такие способы требуют значительных капитальных затрат и не позволяют изготавливать фасонные изделия из СКМ.
Этих недостатков лишены жидкофазные способы формирования слоистых композиционных материалов, основанные на пропитке
стального пакета алюминиевым расплавом. К недостаткам жидкофазных способов следует отнести наличие переходного интерметаллид-ного слоя между сталью и алюминием и необходимость применения активирующих флюсов.
Интерметаллидный слой снижает прочность сцепления алюминия со сталью. Легирование переходного слоя титаном позволяет повысить прочность сцепления слоев композита [2]. Для легирования интерметаллидно-го слоя титаном при жидкофазном формировании СКМ было предложено применять флюс, содержащий При взаимодей-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
т, МПа
60 50 40 30 f 20 10 -0
700
т, МПа
60 50 40 30 20 10 -0
700
T, °С
800 850 T, °С
950
Рис. 1. Зависимость прочности сцепления слоев в композиционном материале сталь—алюминий от температуры процесса при содержании во флюсе ^Т^д:
1 -10 %; 2 - 20 %; 3 - 40 %; 4 - 60 %; 5 - 80 %; 6 - 100 %; 7 - флюс KF-AlFз (без K2TiF6)
ствии K2ÏiF6 с алюминиевым расплавом титан восстанавливается по реакции
3K2TiF6 + 4Al = 6KF + 4 AlF3+3Ti
(1)
и обеспечивает легирование переходного слоя.
Исследование влияния флюсов, содержащих К2^6, на процессы жидкофазного формирования и свойства слоистых композиционных материалов проводили на образцах СКМ, полученных из стальных пластин Ст3 толщиной 1 мм, которые предварительно шлифовали, обезжиривали и окунали в водный раствор флюса на основе эвтектической системы ^-А^з, содержащего К2^6. Коли-
чество последнего во флюсе варьировалось от 0 до 100 % мас. После сушки стальные пластины собирали в пакеты и окунали в расплав алюминия марки А7. Температура расплава изменялась в пределах 700-950 °C. Величина зазора между стальными пластинами в пакете устанавливалась 0,35 мм.
Исследование структуры и химического состава алюминиевого, переходного слоя и поверхности разрушения СКМ проводили методами растровой электронной микроскопии в условиях ОАО «АВТОВАЗ» на комплексе сканирующего электронного микроскопа LEO 1455 VP (ZEISS, Германия) с блоками
Рис. 2. Влияние температуры жидкой фазы при формировании СКМ на толщину интерметаллидной прослойки
-Ф-
-Ф-
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
рентгеновского энергетического спектрометра INCA Energy-300 и рентгеновского волнового спектрометра INCA Wave-500.
Механические свойства испытывали на нахлесточных образцах из пластин размерами 100 s 20 s 1 мм с величиной нахлестки 10 мм. Прочность сцепления слоев определяли при испытаниях на разрыв.
Проведенные исследования показали, что введение K2TiF6 во флюс позволяет увеличить прочность сцепления слоев в слоистом композиционном материале сталь-алюминий в 1,5-2,1 раза по сравнению с прочностью слоев в образцах, полученных с применением флюса KF-AIF3 (рис. 1). При этом прочность сцепления определяется как температурой процесса, так и содержанием K2TiF6 во флюсе. При температурах расплава 700-750 °C образцы обладают наибольшей прочностью.
С увеличением температуры алюминиевого расплава с 750 до 950 °C значение прочности снижается, что связано с ростом ширины переходного слоя (рис. 2). Так, при
температуре 750 °С толщина переходного ин-терметаллидного слоя составляет 20-25 мкм, а при температурах выше 800 °С - увеличивается до 100-115 мкм (рис. 2).
Рис. 3. Влияние К2ЛГ6 на прочность сцепления слоев в СКМ в зависимости от температуры процесса
-Ф
Ф-
All elements analyzed All elements analyzed
All results in Weight Percent All results in Weight Percent
Spectrum Label Al Ti Fe Total
Spectrum 1 52,67 - 47,33 100
Spectrum 2 54,93 - 45,07 100
Spectrum 3 55,56 - 44,44 100
Spectrum 4 54,71 0,02 45,27 100
Spectrum 5 54,95 — 45,05 100
Max 55,56 0,02 47,33
Min 52,67 0,02 44,44
Spectrum Label F Al K Ti Fe Total
Spectrum 1 — 56,39 — 0,06 43,55 100
Spectrum 2 — 55,31 — — 44,69 100
Spectrum 3 6,55 84,44 2,65 1,18 5,19 100
Spectrum 4 — 53,65 — — 46,35 100
Spectrum 5 — 56,64 — — 43,46 100
Max 6,55 84,44 2,65 1,18 46,35
Min 6,55 53,65 2,65 0,06 5,19
а б
Рис. 4. Химический состав поверхности разрушения СКМ железо—алюминий при содержании во флюсе 10 (а)
и 40% К^ЛГд (б), температура формирования 750 °С
-Ф
Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Введение во флюс гексофтортитаната калия практически при всех температурах испытания приводит к повышению прочности сцепления алюминия со сталью. Максимальная прочность сцепления наблюдается при его содержании в пределах 10-20 % (рис. 3). Значение прочности сцепления при таком составе флюса превышает 60 МПа при температуре формирования СКМ 700-750 °С. При использовании же флюса системы KF-AlFз оно не превышает 35 МПа.
Переходный слой, как показали исследования, состоит из двух последовательно расположенных фаз. Со стороны алюминия формируется в виде тонкого слоя фаза, содержащая около 60 % А1, что соответствует области существования интерметаллида FeAlз. Со стороны стали формируется фаза Fe2Al5 с содержанием 52-54 % А1. Разрушение образцов происходит по фазе Fe2Al5.
Повышение прочности сцепления слоев обеспечивается легированием фазы Fe2Al5 титаном. Содержание титана в переходном слое в зависимости от температуры процесса и состава флюса находится в пределах 0,02-0,4 %. С повышением количества гек-
софтортитаната калия во флюсе увеличивается степень легирования переходного слоя. Однако при содержании во флюсе более 20 % К2^6 увеличивается количество флюсовых фторидных включений на границе слоев (рис. 4), что и является причиной снижения прочности сцепления слоев композита.
Выводы
1. Введение в активирующий флюс системы ^^^з гексафтортитаната калия при жидкофазном формировании слоистых композиционных материалов сталь-алюминий позволяет повысить прочность сцепления слоев композита в 1,5-2,1 раза. Это обусловливается легированием переходного слоя титаном.
2. Максимальной прочностью сцепления слоев (58-62 МПа) обладают СКМ, полученные жидкофазным способом при температуре процесса 700-750 °С с применением флюсов, содержащих 10-20 % мас. К2^6. С ростом содержания К2^6 увеличивается количество флюсовых включений на границе слоев, что приводит к снижению прочности сцепления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Рябов В.Р. Сварка плавлением алюминия со сталью. - Киев: Наукова думка, 1969.
2. Рябов В.Р. Алитирование стали. - М.: Металлургия, 1973.
3. Ковтунов А.И., Мямин С.В. Исследование жидкофазных процессов формирования слоис-
тых композиционных материалов системы железо-алюминий // Цветные металлы. 2010. № 7. С.65-66.
4. Еременко В.Н. Многокомпонентные сплавы титана. - Киев: Изд-во АН УССР, 1962. -211 с.
