РАСПЛАВЫ
6 • 2014
УДК 669-179
© 2014 г. И. Э. Игнатьев1, А. В. Долматов, Э. А. Попова, Л. Е. Бодрова, Е. В. Игнатьева, Э. А. Пастухов
ЗАВИСИМОСТЬ РАЗМЕРА СВИНЦОВЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ
В СПЛАВЕ А1-10 мас. % РЬ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДЛИТЕЛЬНОСТИ НИЗКОЧАСТОТНОЙ ОБРАБОТКИ РАСПЛАВА
Методом обработки низкочастотными колебаниями расплава А1—10 мас. % РЬ, обладающего свойствами несмешиваемости компонентов в жидком состоянии, получен композиционный материал. Определено влияние температуры и длительности обработки расплава на размеры включений свинца в закристаллизованном сплаве. Металлографическим анализом установили размеры частиц и характер их распределения в матричном сплаве.
Ключевые слова: композиционный материал, несмешивающиеся жидкости, низкочастотная обработка, алюминиево-свинцовый расплав, микроструктура.
В настоящее время отечественные и зарубежные исследователи [1—3] проявляют интерес к сплаву системы А1—РЬ, который может быть применен в качестве антикоррозионного и антифрикционного покрытия на стальной полосе. Использование в таких покрытиях химически не взаимодействующих между собой алюминия и свинца обусловлено тем, что у алюминия высокие несущая способность и теплопроводность, подходящие для матрицы покрытия, а свинец — лучшая из металлов смазка при сухом трении. Попытки получить антифрикционный материал состава А1—РЬ в качестве замены более дорогим меди и олову пока не нашли промышленного применения вследствие слишком высокой стоимости предложенных технологий. Но разработки в этом направлении продолжаются. Метод получения композиционных сплавов обработкой расплавов низкочастотными колебаниями (НЧК), разработанный в Институте металлургии УрО РАН [4—9], может явиться решением проблемы удешевления получения сплава системы А1—РЬ [10].
Экспериментальная часть. Расплав системы А1—РЬ обладает свойством несмешиваемости жидких алюминия и свинца в широком температурном интервале. Для приготовления расплава А1—РЬ использовали алюминий марки А85 и гранулированный свинец марки Ч. Воздействие упругими колебаниями низкой частоты (амплитуда 1— 1.2 мм, частота 50 Гц) на расплавы А1—10 мас. % РЬ проводили графитовым поршнем-излучателем в графитовом тигле.
Согласно диаграмме состояния, температура купола несмешиваемости компонентов для опытного сплава соответствует 960°С. Обработку проводили "над и под куполом" при 700, 860, и 1060°С, продолжительность обработки для каждой температуры составляла 2, 5 и 10 мин. Для сокращения времени отбора проб расплав из тигля забирали специальной ложечкой и выливали его в медную изложницу.
Результаты и обсуждение. Воздействие на расплав А1—10 мас. % РЬ проводили при перегреве над куполом несмешиваемости на 100 град (1060°С). При этой температуре расплав характеризуется микрогетерогенным состоянием [11]. В первом опыте тигель с расплавом сразу после обработки вынимали из печи. Выдержка расплава до его кристаллизации в графитовой изложнице составляла примерно две минуты. Во втором и
1igx2@mai1.ru.
Зависимость размера свинцовых включений в сплаве А1—10 мас. % РЬ от температуры
9
-.С * ' -
у, ■ - ' :
ч
- - т
800 мкм
I_I
1 «Л V. " • '
-к.*, -1
800 мкм
I_I
Рис. 1. Коагуляция и оседание включений свинца в алюминиевой матрице через 2 мин после вибровоздействия: а — верхняя, б — нижняя часть слитка. (Т = 1060°С, графитовая изложница).
третьем — расплав после обработки выдерживался еще 5 и 15 мин соответственно. Металлографический анализ образцов показал, что выдержка расплава после обработки из-за большой разницы в значениях плотностей алюминия (2.7 г/см3) и свинца (11.3 г/см3) приводит к коагуляции сфероидальных включений свинца и оседанию их по высоте слитка. При 2-минутной выдержке расплава и охлаждении его в графитовой изложнице верхняя часть слитка (1/4 часть высоты) характеризуется густой взвесью включений РЬ размером от 5 до 60 мкм (рис. 1а). В нижней части слитка равномерно распределены по высоте скоагулировавшиеся сфероидальные включения свинца размером до 100 мкм (рис. 1б). Увеличение времени выдержки расплава приводит к дальнейшему оседанию и уплотнению слоя свинца на дне. Так, после дополнительной 5-минутной выдержки расплава уже 3/4 высоты составляет мелкая взвесь, а 1/4 — скоагулировавшиеся включения и слой РЬ на дне, после 15 мин выдержки слиток содержит мелкую взвесь свинца, а основная его масса собирается плотным слоем на дне.
Воздействие упругими колебаниями на расплав А1—10 мас. % РЬ под куполом несмешиваемости в области существования двух жидкостей проводили при 860°С (на 100° ниже купола несмешиваемости), что привело к получению однородной смеси двух жидкостей, к диспергированию сфероидальных выделений свинца в матрице алюминия (рис. 2). Размер включений РЬ не превышал 20—60 мкм. Для получения образцов с мелкими и равномерно распределенными включениями свинца необходимо, чтобы время выдержки расплава до его кристаллизации было сведено к минимуму, а скорость кристаллизации была максимальной. В связи с этим провели эксперименты, в которых проба металла для изготовления шлифов заливалась в медную изложницу. В результате металл находился в жидком состоянии примерно до 30 с, и значительно возросла скорость кристаллизации (скорость охлаждения расплава 8—10°/с). В полученных образцах объемная доля включений, которая была определена с помощью
программы анализа графических изображений, соответствует количеству вводимого изначально свинца. Из этого следует, что во время воздействия на расплав и, по крайне мере, в течение 30 с после воздействия весь вводимый свинец находится во взвешенном состоянии и оседание его на дно тигля не происходит.
Далее исследовали влияние времени и температуры при низкочастотной обработке на структуру композита. Вибровоздействие проводили в течение 2, 5 и 10 мин при 700, 860 и 1060°С. Наименьший средний размер частиц свинца наблюдается при непродолжительном воздействии — 2 мин.
Рис. 2. Распределение свинца в матрице алюминия после обработки НЧК при температуре 860°С.
10
И. Э. Игнатьев, А. В. Долматов, Э. А. Попова и др.
Рис. 3. Включения свинца в алюминиевой матрице после низкочастотной обработки при 860°С (а) и 1060°С (б).
700
Рис. 4. Размер свинцовых частиц в сплаве А1—10 мас. % РЬ как функция температуры Д°С) и длительности t (мин) обработки НЧК.
Более длительное воздействие приводит к коагуляции включений свинца при всех трех температурах обработки. На рис. 3 показана структура образцов, полученных вибровоздействием на расплав А1—10 мас. % РЬ в течение 2 мин при указанных выше температурах.
Наиболее мелкие включения свинца (20—30 мкм) получены после обработки расплава при 1060°С (рис. 3б), но в связи с тем, что это достаточно большой перегрев, в объеме металла появились газовые поры. Размер включений свинца в образцах, полученных при 700°С, составляет 30—60 мкм, при температуре 860°С равен 20—40 мкм (рис. 3а).
По полученным результатам, для возможности интерполяции, построили зависимость среднего размера свинцовой частицы от температуры и времени виброобработки (рис. 4):
а = -12.221 + 5.663/ + 23439285. (1)
Т2
Таким образом, композит А1—РЬ целесообразнее получать при обработке расплава под куполом несмешиваемости (860°С), так как размер включений в этих образцах незначительно отличается от размера включений в образцах, полученных над куполом несмешиваемости, но при этом в них отсутствует газовая пористость.
Зависимость размера свинцовых включений в сплаве Al—10 мас. % Pb от температуры
11
ВЫВОДЫ
Низкочастотной обработкой расплава и последующей кристаллизацией со скоростью охлаждения 8—10°/с получен сплав системы Al—Pb, где свинцовые частицы равномерно распределены по высоте слитка. Определена зависимость среднего размера свинцовых включений в сплаве Al—10 мас. % Pb от температуры в интервале 700— 1060°С и длительности низкочастотной обработки в течение 2—10 мин. Показано, что продолжительность обработки расплава более 2 мин увеличивает размер свинцовых частиц в алюминиевой матрице, а повышение температуры уменьшает его.
Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП "Урал-М" при финансовой поддержке Междисциплинарного проекта с ФТИ УрО РАН №12-М-23-2043.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бабкин В . Г. , Черепанов А.И., Низовцев Е.В., Чеглаков В. В. Применение гранул из лигатуры системы Al—Fe для введения свинца в автоматные алюминиевые сплавы. — Технол. легк. сплавов, 2009, № 2, с. 62—69.
2. Zhao Jiuzhou, Li Haili, Wang Qingliang. — Acta Metallogical Sinica, 2009, 45, № 11, p. 1344-1348.
3. Li Haili, Zhao Jiuzhou, Hi Jie. — Acta Metallogical Sinica, 2007, 43, № 6, p. 659-662.
4. Игнатьев И.В., Киселев А.В., Долматов А.В., Концевой Ю.В., Пастухов Э.А., Игнатьева Е.В., Попова Э.А., Бодрова Л.Е. Математическое моделирование движения жидкости в цилиндре, возбуждаемое поршнем-вибратором. — Расплавы, 2005, № 6, с. 3—11.
5. 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.
6. 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.
7. Игнатьев И.Э., Пастухов Э.А., Игнатьева Е.В., Долматов А.В. Эффективность низкочастотной обработки расплава при наличии в нем агломерированных порошковых добавок. — Расплавы, 2011, № 2, с. 3—9.
8. Игнатьев И.Э., Игнатьева Е.В., Пастухов Э.А., Гойда Э.Ю. Количественная оценка низкочастотной обработки расплавов как фактора измельчения структурных компонентов получаемого сплава. — Расплавы, 2012, № 1, с. 7—11.
9. Игнатьев И.Э., Концевой Ю.В., Игнатьева Е.В., Долматов А.В., Пастухов Э.А. Условия обеспечения турбулентного перемешивания расплавов при их вибрационной обработке низкочастотными колебаниями тигля. — Расплавы, 2010, № 5, с. 3—9.
10. Анциферов В.Н., Оглезнева С. А. Технические возможности и экономическая эффективность порошковой металлургии. — Энергетика, материальные и природные ресурсы: Сб. материалов Первой Международ
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.