научная статья по теме ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛОКОМПОЗИТА AL-W НИЗКОЧАСТОТНОЙ ОБРАБОТКОЙ РАСПЛАВА Физика

Текст научной статьи на тему «ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛОКОМПОЗИТА AL-W НИЗКОЧАСТОТНОЙ ОБРАБОТКОЙ РАСПЛАВА»

РАСПЛАВ I>I

6 • 2014

УДК 669.35-154:534.29

© 2014 г. И. Э. Игнатьев1, Л. Е. Бодрова, Э. А. Пастухов

ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛОКОМПОЗИТА Al-W НИЗКОЧАСТОТНОЙ ОБРАБОТКОЙ РАСПЛАВА

Рассмотрена возможность получения металлокомпозитов системы Al—W замешиванием в расплав алюминия механически активированных частиц W и растворением в Al-расплаве W-прутков при механической активации расплава и температуре 900°C. Показано, что только использование низкочастотной обработки композиционного расплава позволяет при данной температуре достичь положительного результата. Определены зависимости содержания W и размеров интерметаллидов ALJW в алюминиевой матрице от длительности низкочастотной обработки.

Ключевые слова: композит, сплав, расплав, низкочастотная обработка, алюминий, вольфрам.

Сплавы Al—W относятся к современным лигатурам, которые используются в металлургии. В Россию данные сплавы импортируются и стоят дорого, поэтому получение отечественных лигатур — актуальная задача. В Институте металлургии УрО РАН сплавы системы Al—W получены низкочастотной обработкой (НЧО) расплавов [1—3].

Для получения сплава системы Al—W использовали различные способы:

1) замешивание в расплав алюминия механически активированных частиц W и переплав полученных сплавов;

2) растворение в Al-расплаве W-прутков при механической активации расплава и растворение полученной лигатуры в Al-расплаве.

Замешивание в расплав алюминия механически активированных частиц W и переплав полученных сплавов. Заводской порошок вольфрама измельчали в планетарной мельнице Pulverizette-4 в ударном режиме до получения частиц субмикро- и наноразмеров. На рис. 1 приведены гистограммы распределения частиц по размерам. Материал барабанов и мелющих шаров — карбид вольфрама, объем барабанов составлял 250 см3, диаметр используемых шаров 5 мм, загрузка шаров 600 г, навеска обрабатываемого порошка 50 г. Размер частиц определяли методом измерения динамического светорассеяния на анализаторе DelsaNanoC. В качестве разбавителя использовали глицерин. Фазовый состав и размер областей когерентного рассеяния после помола порошка W определяли по данным рентгеновской дифракции (дифрактометр D8 ADVANCE, CuKa-излучение, ПЧД, Ni-фильтр).

Известно [4], что чем мельче размер частиц порошка, тем он более склонен к конгломерации. Чтобы не происходило слипание вольфрамовых частиц при их замешивании в расплав, на созданной в ИМЕТ УрО РАН установке виброаэрационного смешивания сыпучих сред [5] предварительно перемешали порошки W и Al в массовом соотношении 20 : 1. Перемешивание разбивало конгломераты из частиц W и плакировало их частицами Al. Затем эту порошковую смесь плавили при температурах до 900°C, добавив в расплав гранулированный Al до массового содержания 3.5% W в сплаве. Получили смесь, состоящую из крупных кусочков сплава и мелкого порошка в весовом соотношении примерно 1 : 1 с содержанием вольфрама 0.81 и 5.7 мас. % соответственно.

1igx2@mail.ru.

а б в

Diameter, nm Diameter, nm Diameter, nm

Рис. 1. Гистограммы распределения частиц W по размерам до (а) и после его механоактивации в планетарной мельнице Pulverizette-4 в течение 2 (б) и 20 мин (в).

Крупные кусочки сплава подвергли двум переплавам при 750°C. Металлографическое исследование структуры этого слитка показало, что включения W-фазы бесформенны. По данным РФА фазовый состав не соответствует ни одной из фаз равновесной диаграммы состояния Al—W. Таким образом, ни замешивание в расплав алюминия механически активированных частиц W, ни двойной переплав полученных слитков не позволяют получить однородный Al—W сплав.

Растворение W-прутков в Al-расплаве при его механической активации низкочастотными колебаниями и последующее растворение в Al-расплаве полученной лигатуры. В

следующих экспериментах в тигель загрузили гранулированный Al и W-прутки (7.5 мас. %) диаметром 3 мм. По достижении температуры 900°C в одном случае сделали термовременную выдержку в течение 30 мин для получения образца сравнения, в другом — обработали расплав в течение 30 мин низкочастотными колебаниями с забором проб металла на анализ через каждые 10 мин. Остатки расплава при той же температуре 900°C разбавили алюминием в 3.5 раза с последующей низкочастотной обработкой (НЧО) в течение 5 мин. Анализ структуры образца сравнения показал, что при термовременной обработке при 900° C с периодическим перемешиванием без НЧО даже после 30 мин выдержки растворения W-прутков в расплаве практически не происходит. Содержание W в этом образце составило 0.19%. В то же время все сплавы, полученные с использованием виброобработки, имели структуру естественного композита с равномерным распределением интерметаллидных фаз AlJW, точный состав которых установить не удалось, так как интерметаллиды Al4W, A112W, Al5W и a-Al имеют очень близкие значения межплоскостных расстояний. После 10 мин НЧО средний размер интерметаллидов составил около 10 мкм (рис. 2а, г), а через 20 мин — в 2 раза меньше (рис. 2б, д). Увеличение длительности НЧО до 30 мин привело к укрупнению части включений до первоначальных размеров и более при наличии и мелких частиц интерметаллидов (рис. 2в, е). Содержание W в литом сплаве в течение 10 мин НЧО составило 3.79%, 20 мин — 4.67%, после 30 мин — 4.68%. Разбавление полученной лига-

Получение металлокомпозита Al—W низкочастотной обработкой расплава

5

X ' ■ ;

.-Ъ

, ' -; . :

г;. ■ I''

■ ■ —с

Шш 4 "¿''Ж*^

-

' . Ч ' . ' V 1 ■

& -Я

, ¿V л. «Г - ,

•■'¿с? (Ж

X Зс >.

.йМ.' а ■ -л.1

Рис. 2. Микроструктура лигатурных сплавов Al—W (а—в, х100; г—е, х500), обработанных НЧО в течение 10 (а, г), 20 (б, д), 30 мин (в, е).

мин

Рис. 3. Зависимость размера интерметаллидов AlXW от длительности низкочастотной обработки расплава системы Al—W при температуре 900°С.

туры алюминием в 3.5 раза привело к однородности структуры сплава и частичному растворению W в решетке алюминия.

Таким образом, эксперименты с замешиванием в алюминиевый расплав вольфрамовых прутков с применением низкочастотной обработки можно считать успешными: получены сплавы системы Al—W с равномерным распределением по слитку ин-терметаллидных включений. Результаты экспериментов полностью согласуются с разработанной нами моделью коагуляции включений при виброобработке расплавов [6]. По этой модели действие НЧО всегда направлено на измельчение включений, но по достижении некоторого диапазона минимальных размеров (1—7 мкм) измельчение сменяется процессом конгломерации включений. В нашем случае в течение 20 мин вибровоздействия происходит измельчение включений до 4—5 мкм, а затем, когда измельченных частиц становится много, начинает преобладать фактор конгломерации, собирающий частицы в конгломераты размером до 10 мкм и более (рис. 3). Поэтому

Рис. 4. Содержание в алюминиевой матрице как функция длительности НЧО.

для измельчения частиц и предотвращения их конгломерации НЧО расплава системы Al—W следует проводить в течение 20 мин с последующей кристаллизацией.

Изменение содержания W в А1-сплаве при 900°С в зависимости от длительности НЧО можно достаточно точно описать уравнением С = 2.5/0193 (рис. 4). Наиболее быстро химическая реакция образования алюминидов вольфрама протекает в течение первых минут виброобработки, и постепенно ее скорость падает. Значения концентрации W в сплаве после 20 и 30 мин НЧО практически совпадают, поэтому 20 мин вполне достаточно и наиболее эффективна именно такая длительность НЧО.

Успешное получение сплава системы A1—W дает возможность продолжить исследование данной системы при других температурах и других концентрациях вольфрама [7].

ВЫВОДЫ

Ни замешивание в расплав алюминия механически активированных частиц W, ни переплав полученных этим способом сплавов не приводят к получению качественного сплава системы A1—W. Не дает положительного результата и термо-временная выдержка в течение 30 мин при 900° С алюминиевого расплава с замешиванием в него вольфрамовых прутков. Качественный сплав системы A1—W с равномерным распределением по слитку интерметаллидных включений получается при механической активации расплава низкочастотной обработкой при 900°С в течение 20 мин с последующей кристаллизацией.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Игнатьев И.Э., Концевой Ю.В., Игнатьева Е.В., Пастухов Э.А. Условия обеспечения турбулентного перемешивания расплавов при их вибрационной обработке. - Расплавы, 2007, № 2, с. 19-27.

2. Игнатьев И.Э., Концевой Ю.В., Игнатьева Е.В., Пастухов Э.А. Условия вовлечения в турбулентный поток тяжелых труднорастворимых частиц при вибрационной обработке расплава. - Расплавы, 2007, № 6, с. 3-9.

3. Игнатьев И.Э., Концевой Ю.В., Пастухов Э.А, Игнатьева Е.В. Механика введения в композиционный расплав упрочняющих порошков. — Расплавы, 2009, № 1, с. 11 — 17.

4. Буланов В.Я., Пастухов Э.А., Игнатьев И.Э., Концевой Ю.В., Игнатьева Е.В. Исследование явления конгломерации металлических порошков и разработка способа разрушения конгломератов. — Сталь, 2011, № 3, с. 66—68.

Получение металлокомпозита A1—W низкочастотной обработкой расплава

7

5. Концевой Ю.В., Игнатьев И.Э., Игнатьева Е.В., Пастухов Э.А. Устройство для виброаэрационного смешивания сыпучих материалов. Патент РФ на полезную модель № 72871. — БИ, 2008, № 13, с. 1161.

6. Игнатьев И.Э., Игнатьева Е.В., Пастухов Э.А., Гойда Э.Ю. Анализ механизма измельчения и коагуляции твердых частиц при низкочастотной обработке алюминиевых расплавов. — Расплавы, 2012, № 1, с. 3—6.

7. Анциферов В.Н., Боброва С.Н., Оглезнева С.А. и др. Проблемы порошкового материаловедения. Часть 1. Екатеринбург: УроРАН, 2000. — 351 с.

Институт металлургии УрО РАН Екатеринбург

Поступила в редакцию 12 марта 2014 г.

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.

Показать целиком