ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 11, с. 1153-1159
УДК 621.791.12:539.25
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМИЧЕСКОМ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СТАЛЕАЛЮМИНИЕВОГО КОМПОЗИТА
С ДИФФУЗИОННЫМ БАРЬЕРОМ © 2015 г. В. И. Кузьмин, В. И. Лысак, С. В. Кузьмин, В. О. Харламов
Волгоградский государственный технический университет, 400005 Волгоград, пр. им. Ленина, 28 e-mail: kuzminvi@vstu.ru Поступила в редакцию 23.01.2015 г.; в окончательном варианте — 03.04.2015 г.
Приведены результаты исследования влияния режима термообработки на структуру и свойства сваренного взрывом сталеалюминиевого композита с различными диффузионными барьерами. Показано, что создание между алюминием и сталью диффузионного барьера из азотированного стального слоя или подслоя хрома повышает термостойкость сталеалюминиевого композита за счет торможения диффузионных процессов и смещения температурного интервала начала образования интерметаллидов в область более высоких температур.
Ключевые слова: сварка взрывом, композиционный материал, диффузионный барьер, интерметал-лид, прочность, микротвердость.
БО1: 10.7868/80015323015090119
ВВЕДЕНИЕ
Сталеалюминиевые композиционные материалы, полученные сваркой взрывом, широко применяются в электрометаллургическом оборудовании в качестве переходных контактных элементов благодаря высоким эксплуатационным свойствам, прежде всего высокой прочности соединения и низкому переходному электросопротивлению [1—5]. Однако последующие технологические переделы (сварка плавлением, горячая штамповка и др.) и воздействие высоких температур способствуют существенному понижению эксплуатационных свойств таких композиционных переходников из-за активизации диффузионных процессов [6] и образования на границе сварного соединения хрупких интерметаллидных прослоек (рис. 1).
Радикальным приемом, препятствующим потере прочности при нагревах биметаллических соединений, является создание диффузионного барьера в виде промежуточной прослойки между слоями композита, предотвращающей или замедляющей образование интерметаллидов [7—9].
Целью данной работы являлось исследование влияния термической обработки на структуру и свойства сталеалюминиевого композита с диффузионным барьером.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для исследования кинетики протекания диффузионных процессов между алюминием и сталью использовали сваренный взрывом композит А5 + Ст3(азот.) с диффузионным барьером из азотированного стального слоя толщиной 0.6 мм и сваренный взрывом композит А5 + Ст3(Сг) с
Al
FenAl„
Рис. 1. Микроструктура границы биметаллического соединения А5 + Ст3 после сварки взрывом и последующей приварки переходника в конструкцию.
3
1153
Рис. 2. Микроструктура композита А5 + Ст3(азот.) после сварки взрывом и термообработки: а —Т = 570°С, т = 10 ч; б -Т = 600°С, т = 10 ч.
диффузионным барьером из подслоя хрома толщиной 50 мкм. Термообработку сваренных взрывом сталеалюминиевых композитов производили при нагреве образцов в интервале температур от 250 до 640°С и выдержке 1-12 ч. Механические испытания на отрыв слоев композита проводили на разрывной машине Р-500. Измерение размера зерен подслоя хрома проводили на сканирующем зондовом микроскопе SOLVER PRO. Металлографические исследования выполняли на микроскопе OLYMPUS BX61. Микротвердость структурных составляющих измеряли на приборе Metkon DUROLINE-М при нагрузке 0.49 Н. Фазовый состав диффузионной зоны определяли на растровом двухлучевом электронном микроскопе системы Versa 3D.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Композиционный материал А5 + Ст3(азот.)
Полученные результаты исследований показали, что при нагреве композита А5 + Ст3(азот.) с
т, ч
Рис. 3. Влияние температуры нагрева Т на кинетику роста диффузионной прослойки на границе сталеа-люминиевого соединения: 1 - А5 + Ст3(азот.), Т = = 620°С; 2 - А5 + Ст3(азот.), Т = 640°С; 3 - А5 + Ст3, Т = 620°С; 4 - А5 + Ст3, Т = 640°С.
диффузионным барьером из азотированного стального слоя первые интерметаллиды системы Ре„Л1т образуются на границе соединения алюминия со сталью вокруг участков с оплавленным металлом при температуре Т> 580°С (рис. 2).
При дальнейшем увеличении температуры нагрева и времени выдержки наблюдается рост интер-металлидов по всей границе сварного соединения. Так, сплошная интерметаллидная прослойка толщиной к = 3-5 мкм в образцах А5 + Ст3(азот.) формируется при Т = 620°С и выдержке свыше 3 ч, в то время как в биметаллических образцах А5 + Ст3 без диффузионного барьера при идентичных условиях нагрева образуется интерметаллидная прослойка значительно большей толщины - к = 60-70 мкм. Увеличение температуры нагрева до 640°С приводит к ускорению протекания диффузионных процессов и росту толщины прослойки: для композита А5 + Ст3(азот.) - до к = 40 мкм, а для биметалла А5 + Ст3 - до 150 мкм и более при выдержке т < 12 ч (рис. 3).
Типичная микроструктура термообработан-ных сталеалюминиевых соединений с четко выраженной интерметаллидной прослойкой приведена на рис. 4.
Таким образом, создание между алюминием и сталью диффузионного барьера из азотированного стального слоя позволяет повысить термостойкость сталеалюминиевого композита за счет торможения протекания диффузионных процессов на границе сварного соединения и смещения температурного интервала начала образования ин-терметаллидов в область более высоких температур (Т > 580°С).
А1
А1
Ре2А15
' А1 • . •
; - ■
ШЯЯШЛъшшШшШ
К . V
Ст3
(а)
А1
Ст3(азот.) ¿ - « ^
. . - ».< ' -г а ^ ■
50мкм (б) - * - 50мкм
Ге2А15
: •• ШЯI
\ -
и л-" . \ -
шш. ш йл1 б:") й Ш Шт Шш Ш
Ст3 '
.50 мкм (г) '
50 мкм
I- , .
Рис. 4. Микроструктура диффузионной зоны после сварки взрывом и термообработки: а, б — Т = 620°С, т =5 ч; в, г — Т = 640°С, т = 5 ч; а, в — биметаллические образцы А5 + Ст3, б, г — сталеалюминиевые композиты с диффузионным барьером А5 + Ст3(азот.) .
Рис. 5. Микроструктура диффузионной зоны (а) и характер распределения химических элементов (б) композита А5 + Ст3(азот.) после термообработки при Т = 640°С и выдержке т = 5 ч.
Исследование фазового состава диффузионной зоны композита А5 + Ст3(азот.) показало (рис. 5, табл. 1), что в результате термообработки при взаимодействии железа с алюминием образуется одна четко различимая прослойка постоян-
ного состава, соответствующая интерметаллиду Бе2А15 (рис. 5а — точка 4), а при взаимодействии с оплавленным алюминием наблюдаются две ин-терметаллидные фазы РеА13 (рис. 5а — точка 2) и Бе2А15 (рис. 5а — точка 3).
Таблица 1. Результаты анализа химического состава в различных точках (рис. 5а) композита А5 + Ст3(азот.) после термообработки при Т = 640° С и выдержке 5 ч
№ точки Элемент Массовый, % Атомный, % Погрешность, % Фаза
1 А1 100 100 Ю А1
2 А1 58.0 74.. 4.. РеА13
Бе 42.0 25.9 2.8
3 А1 53.9 70.8 4.8 Ре2Л15
Бе 46.1 29.2 2.7
4 А1 60Л 72.. 4.. Ре2Л15
Бе 40.0 27.8 2.8
5 Бе 100 100 2.. Бе
Интерметаллические фазы имеют высокую микротвердость, значение которой колеблется в интервале от 8500 до 9200 МПа.
Композиционный материал А5 + Ст3(Сг)
Исследование влияния термообработки на кинетику диффузионных процессов сваренного взрывом сталеалюминиевого композита с подсло-
ем хрома позволило установить, что при нагреве образцов до 570°С интерметаллиды в зоне соединения не образуются (рис. 6а). Формирование диффузионной зоны в композите А5 + Ст3(Сг) начинается при температуре Т > 580°С с образованием на границе алюминий-хром интерметаллид-ной прослойки толщиной к = 20-25 мкм, содержащей Сг ~ 11.3 ат. % и Л1 ~ 88.7 ат. %, что соответствует фазе СгЛ17 (рис. 6б). Дальнейшее увеличение темпе-
Рис. 6. Микроструктура композита А5 + Ст3(Сг) после сварки взрывом и термообработки: а - Т = 550°С, т = 5 ч; б -Т = 580°С, т = 5 ч; в - Т = 600°С, т = 5 ч; г - Т = 620°С, т = 5 ч.
Таблица 2. Результаты анализа химического состава в различных точках (рис. 8а) композита А5 + Ст3(Сг) после термообработки при Т = 620°С и выдержке 5 ч
№ точки Элемент Массовый, % Атомный, % Погрешность, % Фаза
1 А1 100 100 Ю А1
2 А1 70.. 82.. 3.. СгА14
Сг 29.6 17.9 2.7
3 Сг 100 100 2.. Сг
4 Бе 100 100 2.5 Бе
ратуры нагрева до Т = 620 °С приводит к интенсивному росту толщины интерметаллидной прослойки (к > 80 мкм), появлению трещин и полному разрушению композита (рис. 6в, 6г, рис. 7).
Изучение структуры и определение фазового состава диффузионной зоны композита А5 + + Ст3(Сг) после термообработки при температуре Т = 620°С и пятичасовой выдержке показало (рис. 8, табл. 2), что со стороны алюминия образуется сплошная интерметаллидная прослойка, содержащая в основном фазу Л1Сг4 (рис. 8а - точка 2), а со стороны стали - хрупкая прослойка, содержащая Сг ~ 100% (рис. 8а - точка 3).
Проведенные измерения структурных составляющих композита А5 + Ст3(Сг) показали, что в результате гальванического осаждения была создана микроструктура с размером зерна ~50 нм.
160 140 120 100
к
м80
60 40 20
3^ /о
о /
/о о / 1
г / /° ' I | 1 1
При этом микротвердость подслоя хрома составляла порядка 7500 МПа.
После сварки взрывом происходит уменьшение размера зерна до 15-20 нм и повышение микротвердости подслоя хрома до 8000-8300 МПа,
12
15
т, ч
Рис. 7. Влияние температуры нагрева Т на кинетику роста диффузионной прослойки на границе соединения А5 + Ст3(Сг): 1 - Т = 580°С; 2 - Т = 600°С; 3 - Т = 620°С.
Рис. 8. Микроструктура диффузионной зоны (а) и характер распределения химических элементов (б) композита А5 + Ст3(Сг) после термообработки при Т = = 640°С и выдержке т = 5 ч.
6
0
3
9
140 120 100 80
, 60 40 20 0
А
- /2
- »> 5 \ №
- 1 1 1 1 1 Л ьЛ
100 200
300 400
т, °с
500 600 700
Рис. 10. Влияние режима термообработки на прочность сваренного взрывом сталеалюминиевого соединения:
1 — А5 + Ст3(Сг), т = 1 ч; 2 - А5 + Ст3(Сг), т = 10 ч; 3 - А5 + Ст3(азот.), т = 1 ч; 4 — А5 + Ст3(азот.), т = 10 ч; 5 — А5 + Ст3, т = 1 ч; 6 — А5 + Ст3, т = 10 ч.
Рис. 9. Соотношение микротвердости структурных составляющих композита А5 + Ст3(Сг) после термообработки при Т = 580°С и выдержке т = 1 ч.
что связано с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.