CC BY
32
УДК 621.762.2+536.46+621.74
ВВЕДЕНИЕ ВЫСОКОДИСПЕРСНОГО ПОРОШКА AlN В РАСПЛАВ
АЛЮМИНИЯ С ПОМОЩЬЮ ВСПОМОГАТЕЛЬНОЙ РЕАКЦИИ
СИНТЕЗА КАРБИДА ТИТАНА Титова Юлия Владимировна, к.т.н., доцент (e-mail: titova600@mail.ru) Майдан Дмитрий Александрович, к.т.н., доцент, доцент (e-mail: mtm.samgtu@mail.ru) Латухин Евгений Иванович, к.т.н., доцент (e-mail: evgelat@yandex.ru) Самарский государственный технический университет, Россия
В настоящей работе предпринята попытка увеличить содержание армирующей фазы AlN в алюмоматричном нанокомпозите. Для этого была использована вспомогательная реакция СВС карбида титана Ti+C=TiC с адиабатической температурой 3017 °С. Шихта (Ti+C) с добавлением различного содержания нанопорошка (AlN-35%NазАlFб) смешивалась, прессовалась в брикеты и вводилась в расплав алюминия А7 с температурой 900 °С. Определялось, инициируется или нет реакция СВС, насколько полно она протекает, не остаются ли включения непрореагировавшей шихты, насколько равномерно армирующие фазы AlN и TiC распределены в матрице затвердевшего алюминия, каковы размеры и морфология частиц AlN и TiC. В итоге этого исследования удалось получить гибридный нанокомпозит состава Al-10,1%TiC-3,5%AlN. Полученный образец нано-композита имел мелкозернистую равномерную плотную структуру, отсутствовали раковины, неметаллические включения, поры и трещины, а его твёрдость составила 41 НВ.
Ключевые слова: СВС, азид натрия, нитрид алюминия, карбид титана, нанопорошок, литой композит.
Благодаря малому весу, отличным механическим свойствам, термодинамической и размерной стабильности при высоких температурах, алюмоматричные композиты, армированные наночастицами AlN, перспективны для применения в авиакосмической, автомобильной и оборонной технике [1-5]. Однако из-за высокой стоимости нанопорошка AlN, а также дороговизны и других недостатков, существующих твердофазных и жидкофазных методов изготовления нанокомпозитов Al-AlN, в настоящее время отсутствует промышленное производство этих нанокомпозитов [6-9].
В связи с этим несомненный интерес для получения нанокомпозитов Al-AlN представляет исследование возможности использования достижений простой энергосберегающей порошковой технологии на основе процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) [10-12]. Во-первых, стоимость нанопорошков нитридов, полученных по азидной
технологии СВС-Аз, примерно в 2-3 раза ниже стоимости аналогичных на-нопорошков, полученных методом плазмохимического синтеза. Во-вторых, процесс СВС создает высокую температуру и тем самым способствует смачиванию керамических наночастиц и их вводу в матрицу. В-третьих, синтез недорогих армирующих керамических наночастиц может проводиться непосредственно в матрице с обеспечением их хорошей адгезии к матрице.
В работах [13-15] представлены результаты наших предыдущих исследований по вх-БИи изготовлению нанокомпозитов А1-АШ с использованием различных методов ввода в расплав алюминия (или его сплавов) нано-порошка марки СВС-Аз состава (АШ-35%Ка3АШ6), где побочный продукт криолит Ка3АШ6 играл роль флюса. Прямое замешивание нанопорошка АШ в насыпном виде в расплав алюминия не приводит к успеху из-за плохой смачиваемости нанопорошка жидким алюминием и слипания наноча-стиц в агломераты. Использование прессованного брикета нанопорошко-вой псевдолигатуры Си-4%(АШ-35%Ка3АШ6) позволило получить литой композит расчетного состава А1-1,2%С-0,035%АШ. Композиционная лигатура, полученная сплавлением флюса карналлит КС1-М^С12 с нанопорош-ком (АШ-35%Ка3АШ6), позволила ввести до 1%АШ в матрицу сплава АМг6. Композит с содержанием до 4%АШ удалось получить путем замешивания нанопорошка (АШ-35%Ка3АШ6) в сплав АМ5 в твердо-жидком состоянии.
В настоящей работе предпринята попытка увеличить содержание армирующей фазы АШ в алюмоматричном нанокомпозите. Для этого была использована вспомогательная реакция СВС карбида титана Т + С = ТЮ с адиабатической температурой 3017 °С. Высокая температура горения позволяет ввести в смесь исходных порошков титана и углерода инертный разбавитель - АШ. В результате за счет нагрева высокодисперсных частиц нитрида алюминия, обеспечивается смачиваемость их расплавом алюминия. К тому же добавление инертного разбавителя приводит к снижению температуры горения и обеспечивает уменьшение размеров частиц карбида титана, в том числе до наноуровня.
Однако, разбавление смеси порошков титана и углерода нитридом алюминия может привести также и к нежелательным явлениям:
- затруднение инициирования реакции синтеза ТЮ из-за разделения частиц титана и углерода высокодисперсным порошком АШ;
- укрупнение частиц АШ в процессе нагрева;
- взаимодействие части нитрида алюминия с титаном с образованием нитрида титана.
Известно, что смесь порошков титана и углерода при получении нано-размерного карбида титана при комнатной температуре можно разбавлять до 40 % инертным материалом. Однако, степень разбавления снижается при повышении дисперсности разбавителя. С учётом высокой дисперсно-
сти порошка нитрида алюминия марки СВС-Аз количество этого материала в смеси порошков ограничили 25 %.
Для оценки возможности инициирования реакции СВС в смеси (Т + С) + 25% АШ с помощью Ка2Т1Р6 готовили смесь на основе титана марки ТПП-7, традиционно применяемом для синтеза карбида титана в расплаве. В навески массой по 5 г добавляли 0,12 и 0,3 г гексафтортитана натрия. Полученные составы заворачивались в алюминиевую фольгу (капсулу) и вводились в расплав алюминия при температуре 900 °С. Ни один из указанных составов не загорелся. При этом для устойчивого запуска реакции синтеза карбида титана при таких же условиях, но без добавления высокодисперсного порошка АШ, достаточно использовать менее 1 % галоидной соли - Ка2Т1Б6.
Также была исследована возможность инициирования СВС-реакции путём изменения фракционного состава, за счет применения различных марок порошка титана. В капсулу со смесью (Т + С) + 25% АШ массой 5 г, содержащей титана марки ПТС-2, также добавляли 0,12 и 0,3 г Ка2Т1Б6. Смеси загорелись под зеркалом расплава алюминия.
Эти опыты показали, что при вводе нитрида алюминия в расплав необходимо применение инициирующих реакцию веществ (Ка2Т1Б6) и использование более мелких фракций порошка титана.
Для получения опытного образца использовали плавильную печь ОКАЕГСАКВО. В стальной тигель с обмазкой помещали 135 г чистого алюминия и расплавляли его. Для введения 10 % от общей массы плавки (150 г) нанопорошка (АШ-35%Ка3АШ6) готовили 60 г смеси на основе порошка титана марки ПТС-2 (состав смеси: 15 г (АШ-35%Ка3АШ6) + 45 г (Т1+С)). Все смеси порошков готовились вручную с помощью фарфоровой ступки.
Для устойчивого запуска реакции в смесь добавляли 2 г инициирующего вещества - соли Ка2Т1Б6. Полученную смесь разделяли на 10 равных частей. Для определения более рационального ввода смеси порошков в расплав, 7 частей скомпактировали с помощью алюминиевой фольги, а 3 части спрессовали в пресс форме диаметром 23 мм (относительная плотность
~0,4).
Полученные навески без предварительного подогрева вводились в расплав алюминия. Под зеркало расплава навески погружали с помощью стальной ложки. Все навески загорелись. Брикеты горели интенсивнее, чем смесь насыпной плотности. На дне тигля спечённые брикеты обнаружены не были, что свидетельствует о возможности дальнейшего повышения степени разбавления смеси порошков (Т1+С) нитридом алюминия.
В ходе взвешивания после разливки расплава установлено, что масса металлической части составляет - 110 г, масса шлака - около 80 г, крупные капли алюминия в шлаке - 5 г. Большое количество шлака указывает на низкое усвоение расплавом вводимого материала, а также о недостаточно
высокой температуре реакции, вследствие чего не обеспечивается смачиваемость продуктов реакции алюминием.
Для увеличения температуры реакции использовалось два подхода: снижение количества инертного компонента (АШ); повышение интенсивности реакции за счёт использования исходного порошка титана с большей дисперсностью.
Для проверки гипотезы были приготовлены две порошковые смеси исходя из предполагаемого содержания целевого компонента АШ в образце в количестве 5 % (состав смесей: 10 г (АШ-35%Ка3АШ6) + 60 г (Т1+С)). В первой смеси использовался титан марки ПТС, во второй смеси - титан ПТМ. Для гарантированного инициирования реакции в расплаве алюминия в указанную смесь добавлялось 3 г Ка2Т1Б6. Полученная смесь распределялась по навескам около 7 г, которые заворачивались в алюминиевую фольгу. Алюминий плавили при температуре 900 °С. Все навески загорелись, реакция значительно повысила температуру расплава и сопровождалась вспышками желто-зелёного пламени (более интенсивные при использовании титана ПТМ).
В результате при использовании титана марки ПТС вес полученного образца составил 101 г. Поверхность образца чистая, усадочная раковина отсутствует. Часть шлака осталась на дне тигля и приварилась к нему. При использовании титана марки ПТМ вес образца составил 105 г. Расплав был очень вязкий, несмотря на высокую температуру. На поверхности образца видны многочисленные шлаковые включения. На дне тигля осадка не обнаружено. Изломы обоих образцов получились хрупкими и загрязнёнными шлаковыми включениями. Из сравнения массы образцов, полученных с использованием титана марки ПТС, видно, что снижение количества АШ в смеси с 15 % до 5 % привело к увеличению массы образца с 80 г до 101 г. Масса шлака сократилась (включая осадок на дне тигля). Это подтверждает предположение о том, что в предыдущих опытах температура продуктов реакции была не достаточна.
Исследование твёрдости полученных образцов проводилось по методу Бринелля. При измерениях использовали шарик диаметром 6,35 мм и нагрузку 1226 Н. Измерения показали, что при использовании титана марки ПТС твёрдость составляет 64 НВ, для титана марки ПТМ - 38 НВ.
Дальнейшие исследования были направлены на снижение массы шлака в образцах, получаемых при использовании титана марки ПТМ. В связи с тем, что в процессе синтеза карбида титана повышается температура расплава, которая в свою очередь, облегчает инициирование реакции, было изменено соотношение между АШ-ТЮ до состава А1-7,5%АШ-27,5%ТЮ. Также уменьшили количество соли Ка2Т1Б6 с 3 г до 1,6 г за счёт того, что инициирующее реакцию вещество добавлялось только в первые две навески. Эти приемы практически не изменили массу полученного образца (она составила 100,8 г), но значительно улучшили его внешний вид: наличие
мелкозернистой равномерной плотной структуры, отсутствие раковин, неметаллических включений, пор, трещин.
Для значительного снижения количества карбида титана при сохранении температуры, обеспечивающей смачиваемость нитрида алюминия, были проведены эксперименты с дифференцированным содержанием смеси (Ti+C) в зависимости от очерёдности ввода в расплав. Для этого подготовили состав, в котором массовая доля (АШ-35%КазАШб) составила 11 %.
Для повышения интенсивности реакции смесь прессовали до относительной плотности 0,4. Инициирующая реакцию соль Na2TiF6 добавлялась во все брикеты в количестве 0,7 г. Сначала вводили два брикета состава (3 г AlN + 7 г (Ti+C)), потом два брикета состава (3 г AlN + 4,5 г (Ti+C)), затем 3 брикета состава (3 г AlN + 3,6 г (Ti+C)). Полученный образец имел ровную поверхность и скол без шлаковых включений. В результате удалось получить гибридный нанокомпозит расчетного состава Al-7,7%AlN-19%TiC. На рис. 1 представлены результаты рентгенофазового анализа указанного композита, полученные на рентгеновском дифрактометре ARL X'TRA фирмы «Termo Srientisic».
Sample ID: -, Sample name: -, Temp: 25-0*0
Date: 02/08/18 13:05 Step s 0.020° Integration Time: 0.600 sec Vert. Scale Unit: [CPS]
Рисунок 1 - Рентгенограмма литого композиционного алюминиевого сплава
Рентгенофазовый анализ литого образца показывает наличие алюминия (основа сплава), карбида титана и нитрида алюминия, что свидетельствует об усвоении расплавом алюминия порошка AlN марки СВС-Аз. Рис. 1 также показывает отсутствие линий галоидной соли №3АШ6, то есть эта соль сыграла роль флюса в расплаве алюминия, но в состав затвердевшего сплава не вошла. Количественный фазовый анализ производился методом полнопрофильного анализа при помощи программы PDXL 1.8.1.0 с использованием открытой кристаллографической базы данных (COD) [1618]. Установлено, что полученный литой композиционный сплав имеет состав Al-10,1%TiC-3,5%AlN.
Исследование микроструктуры литого композита и микрорентгеноспек-тральный анализ проводились на растровом электронном микроскопе JSM-6390A фирмы «Jeol» с приставкой Jeol JED-2200 (рис. 2).
в)
Рисунок 2 - Микроструктура композита А1-10,1%Т1С-3,5%АШ: а) увеличение х500; б) увеличение х25000; в) микрорентгеноспектральный
анализ
На фотографиях микроструктуры отчетливо видны металлическая и порошковая составляющие. Результаты микрорентгеноспектрального анализа подтверждают усвоение частиц АШ расплавом алюминия.
Полученный образец нанокомпозита имеет мелкозернистую равномерную плотную структуру, отсутствовуют раковины, неметаллические включения, поры и трещины, а его твёрдость составляет 41 НВ.
Таким образом, используя комбинацию подходов вх-БИи (введение заранее синтезированного нанопорошка АШ в расплав матрицы) и т-БЫи (синтез частиц ТЮ в расплаве матрицы во время изготовления композита), удалось увеличить содержание наночастиц АШ до 3,5 % и получить литой гибридный алюмоматричный нанокомпозит с двумя армирующими фазами (АШ и ТЮ). Отметим, что гибридное армирование алюминиевых сплавов смесями керамических частиц различного вида успешно применяется и позволяет использовать достоинства разных частиц [13, 19, 20].
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ по проекту № 16-08-00826. Список литературы
1. Непочатов Ю., Земницкая А., Муль П. / Современная электроника. - 2011. - № 9. - С. 14-16.
2. Крушенко Г.Г. / Металлургия машиностроения, 2011. - №1. - С. 20-24.
3. Иваненко Е М. / Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. н-ки 2013. № 1(6). С. 67.
4. Хабас Т.А. Нанопорошки металлов в технологии керамики: учебное пособие. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. - 230 с.
5. Jia L., Kondoh K., Imai H., Onishi M., Chen B., Li S. / J. Alloys Comp. - 2015 - Vol. 629. - P. 184-187.
6. Borgonovo C., Apelian D., Makhlouf MM. / JOM. - 2011. - Vol. 63. - No. 2. - P. 5764.
7. Trinkler L., Berzina B., Palcevskis E. / Nitride Ceramics: Combustion Synthesis, Properties, and Applications. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2015. - P. 265-293.
8. Jia L., Kondoh K., Imai H., Onishi M., Chen B., Li S. / J. Alloys Comp. - 2015 - Vol. 629. - P. 184-187.
9. Vinod Kumar G.S., Murty B.S., Charaborty M. / J. Alloys Comp. - 2005. - Vol. 396. -№ 1-2.- P. 143-150.
10. Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов. - М.: Машиностроение^, 2007. - 567 с.
11. Закоржевский В.В., Боровинская И.П., Сачкова H.B. / Неорганические материалы. - 2002. - Т. 38. - № 11. - С. 1340-1350.
12. Амосов А.П., Бичуров Г.В. Азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза микро- и нанопорошков нитридов. - М.: Машинострое-ние-1, 2007. - 526 с.
13. Амосов А.П., Титова Ю.В., Майдан Д.А., Ермошкин А.А., Тимошкин И.Ю. / Изв. вузов. Цвет. металлургия. - 2015. - №1. - С.68-74.
14. Титова Ю.В., Амосов А.П., Майдан Д.А., Тимошкин И.Ю., Шоломова А.В. / Известия СНЦ РАН, 2017. - Т. 19, № 1(3). - С. 523-528.
15. Amosov A.P., Luts A.R., Titova Yu.V. / The International Conference Dedicated to the 50th Anniversary of Self-Propagating High Temperature Synthesis (SHS-50), 2017. - P. 1819.
16. Горелик С.С. Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. - М.: МИСИС, 1994. - 128 с.
17. Русаков А. А. Рентгенография металлов. М.: Атомиздат, 1977. - 237 с.
18. Rietveld, H. M. / - J. Appl. Cryst., 1969. - № 2. - P. 65-71.
19. Kumar N.M., Kumaran S.S., Kumaraswamidhas L.A. // J. Alloys Comp. - 2015. -Vol. 650. - P. 318-327.
20. Akhtar F. / J. of Alloys and Compounds, 2008. - 459 (1-2). P. 491-497.
Titova Yuliay Vladimirovna, Cand.Tech.Sci., associate professor
(e-mail: titova600@mail.ru)
Samara State Technical University, Samara, Russia
Maydan Dmitriy Aleksandrovich, Cand.Tech.Sci., associate professor
(e-mail: mtm.samgtu@mail.ru)
Latukhin Evgenii Ivanivich, Cand.Tech.Sci., associate professor
(e-mail: evgelat@yandex.ru)
Samara State Technical University, Samara, Russia
THE INPUT OF THE SUPERFINE ALN POWDER IN THE ALUMINUM MELT BY MEANS OF AUXILIARY REACTION OF TITANIUM CARBIDE SYNTHESIS Abstract. In the present work, an attempt was made to increase the content of AlN reinforcing phase in aluminum matrix nanocomposite. The auxiliary reaction of SHS of titanium carbide Ti+C=TiC with adiabatic temperature of 3017 oC was used for this purpose. Charge (Ti+C) with addition of different content of nanopowder (Al-35% Na3AlF6) was mixed, pressed into briquettes and injected into the melt of aluminum with a temperature of 900°C. It was determined whether the SHS reaction was initiated or not, how fully it proceeded, whether the inclusions of the unreacted charge remained, how evenly the reinforcing phases of AlN and TiC were distributed in the solidified aluminum matrix, what were the sizes and morphology of the particles AlN and TiC. As a result, it was possible to obtain a hybrid nanocomposite of the composition of Al-10,1%TiC-3,5%AlN. The resulting nanocomposite sample had a fine-grained uniform dense structure, there were no shells, nonmetallic inclusions, pores and cracks, and its hardness was 41 HB. Keywords: SHS, sodium azide, aluminum nitride, titanium carbide, nanopowder, cast composite.
УДК 62-592+629.017+629.113
СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВАКУУМНОГО УСИЛИТЕЛЯ ТОРМОЗОВ Шкилев Дмитрий Александрович, магистрант Семыкина Алла Сергеевна, аспирант (e-mail: fantarock@mail.ru) Загородний Николай Александрович, к.т.н., доцент (e-mail: n.zagorodnij@yandex.ru) Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, г.Белгород, Россия
В данной статье рассматриваются конструкция вакуумного усилителя тормозов (ВУТ), основные неисправности и их причины. Указываются основные способы определения технического состояния ВУТ. Установлено, что основной неисправностью является разгерметизация рабочих камер. Требуется регулярный контроль трубок и шлангов, клапанов ВУТ.
Ключевые слова: вакуумный усилитель тормозов, тормозная система, техническое состояние вакуумного усилителя тормозов, автомобиль.
В тормозных системах современных автомобилей для облегчения усилия на педаль тормоза за счет разрежения применяется вакуумный усилитель тормозов [13]. Основное его предназначение:
1. Повышение комфорта при управлении автомобилем;
2. Повышение эффективности тормозной системы [4].
При нажатии водителем на педаль тормоза вакуумный усилитель тормозов позволяет развить тормозной системе полную мощность, необходимую для своевременной остановки автомобиля.
