Получение нанопорошковых псевдолигатур cu-aln для модифицирования алюминиевых сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОЛУЧЕНИЕ НАНОПОРОШКОВЫХ ПСЕВДОЛИГАТУР CU-ALN ДЛЯ МОДИФИЦИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ*

А.А. Кузина1, Ю.В. Титова2 * Работа выполнена при государственной поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации мероприятий Программы повышения конкурентоспособности СГАУ среди ведущих мировых научно-образовательных центров на 2013-2020 годы.

Антонина Александровна Кузина, ассистент кафедры «Технология металлов и авиационное материаловедение».

Юлия Владимировна Титова (к.т.н.), доцент кафедры «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы».

1Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Россия, 443086, г. Самара, ул. Московское шоссе, 34

2 Самарский государственный технический университет

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Приводятся результаты исследования механического смешивания и последующего компактирования порошковой смеси порошка - носителя электролитической меди (Cu) с размером частиц 20…100 мкм с нанопорошковой композицией - модификатором нитрида алюминия (AlN) - 65 % и гексафторалюмината натрия (Na3AlF6) - 35 % с размером частиц до 100 нм, полученной по азидной технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Исследовались порошковые композиции, содержащие 2,5…5 % (масс.) модификатора. Приготовление исследуемых порошковых смесей Cu-AlN осуществлялось механическим смешиванием в планетарной центробежной мельнице «Пульверизетте-5» и смесителе типа «пьяная бочка» в течение 60 мин со скоростью 150 и 45 об/мин соответственно. Исследован химический состав полученных порошковых композиций. Проведен анализ смешивания исходных порошковых компонентов. Определены некоторые физические и технологические свойства полученных порошковых смесей: гранулометрический состав, плотность, насыпная масса и сыпучесть. Формирование лигатурных брикетов - нанопорошковых псевдолигатур из композиций состава Cu-AlN с различным содержанием дисперсного модификатора осуществлялось одноосным холодным прессованием в цилиндрической пресс-форме на гидравлическом прессе ПСУ-50 с давлением прессования 19…23 МПа. Определена зависимость пористости полученных компактов от давления прессования. Представлены микроструктуры прессованных псевдолигатур при минимальном давлении прессования. Получены нанопорошковые псевдолигатуры диаметром 25 мм, высотой до 2 мм, массой 2,5 и 5 г, относительной плотностью 58…87 %, предназначенные для последующего ввода их в алюминиевый расплав с целью модифицирования.

Ключевые слова: нанопорошки, нитрид алюминия, порошок меди, механическое смешивание, компактирование, гранулометрический состав, плотность, сыпучесть, модифицирование, псевдолигатуры.

Введение

Композиционные материалы, обладающие низкой плотностью, высокой температурой эксплуатации, высокими прочностными характеристиками, химической инертностью и коррозионной стойкостью, а также возможностью изготовления из них деталей сложной формы, находят широкое применение в изделиях авиационной и космической техники. Управление гетерогенной структурой материала открывает широчайшие возможности изменения в широких пределах физико-химических и термомеханических свойств (плотность, температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), теплопроводность, прочность, модуль упругости и др.) [1-3]. Традиционные методы улучшения физико-механических свойств композиционных машиностроительных материалов и сплавов в значительной мере достигли своего предела. Резерв повышения характеристик материалов состоит в целенаправленном формировании в них наноструктуры, например путем введения в матрицу наноразмерных модифицирующих добавок [4, 5]. Таким образом, развитие в области создания материалов с высокими эксплуатационными свойствами невозможно без порошковых высокотемпературных материалов, среди которых принято выделять тугоплавкие металлы, твердые тугоплавкие соединения, керамикометаллические (керметы), упрочненные дисперсными включениями и армированные волокнами материалы [3].

Как известно, в изделиях современной техники широко используют алюминий и его сплавы. Конструкторов привлекают их низкий удельный вес, высокие пластические свойства, коррозионная стойкость, технологичность. Понятен интерес к опробованию таких материалов в качестве матриц дискретно армированных композиционных материалов. Введение в сплавы алюминия высокопрочных частиц обеспечивает повышенные удельные прочность и жесткость, высокую демпфирующую способность, износостойкость и трибологические свойства при сохранении высокой электро- и теплопроводности и малого удельного веса. Введение в алюминиевую матрицу небольшого количества керамических частиц (2…10 % об.) вызывает улучшение механических характеристик композиционных материалов в широком интервале температур [6, 7].

В последние годы широкое применение в качестве модификаторов получили нанопорошки. Однако существующие способы введения в расплавы порошкообразных добавок не могут использоваться для нанопорошков вследствие их особых свойств по сравнению с более крупными порошками: наночастицы легко «слипаются», их окисление начинается при сравнительно низких температурах, они плохо смачиваются жидким расплавом [8-11]. Поэтому необходимы эффективные способы получения компактных материалов, содержащих наночастицы тугоплавких соединений, для последующего введения их в алюминиевые расплавы с целью модифицирования.

Таким образом, целью данной работы было исследование влияния технологии получения лигатурных брикетов - псевдолигатур, состоящих из порошка-носителя и смеси нанопорошков модифицирующей фазы (AlN+35%Na3AlF6) при увеличенном содержании последней.

Материалы и методы исследования

Исследовали компактирование порошковой смеси, состоящей из компонентов: металлического порошка Cu - носителя и порошка нитрида алюминия, свойства которых приведены в табл. 1.

В качестве материала - носителя псевдолигатуры был выбран порошок электролитической меди с размером частиц 20…100 мкм (рис. 1а), имеющей высокую плотность (8,7 г/см3) по сравнению с алюминиевым расплавом (2,7 г/см3) и используемой в качестве легирующего компонента для алюминиевых сплавов [11].

В качестве дисперсного модифицирующего порошка использовали композицию порошков нитрида алюминия (AlN) и гексафторалюмината натрия (Nа3АlF 6) - 35 %, полученных по азидной технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, с размерами частиц до 100 нм (рис. 1б) [12, 13]. В данной порошковой смеси криолит Na3AlF6 является типичным флюсом для рафинирования и модифицирования расплавов алюминиевых сплавов и может способствовать введению керамических микро- и нанопорошков в расплав алюминия, а также защите расплава от окисления и насыщения водородом [11].

Механическое смешивание проводили в планетарной мельнице «Пульверизетте-5» и смесителе типа «пьяная бочка» в течение 60 мин со скоростью 150 и 45 об/мин соответственно. В качестве мелющих тел использовали твердосплавные шары диаметром 10 мм. Соотношение массы шаров к массе порошковой смеси 10:1. Для лучшего перемешивания размольную гарнитуру заполняли на 1/3 объема. Однородность смешивания оценивали произвольно взятыми пробами. Шихту считали однородной, если не менее 95 % произвольно взятых проб имеют почти одинаковые химический и гранулометрический составы [11].

Таблица 1

Свойства компонентов псевдолигатуры [14, 15]