ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2009, том 107, № 1, с. 50-57
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.71'782'784:539.89:539.25'26
ФОРМИРОВАНИЕ НАНОДИСПЕРСНОЙ МЕТАЛЛОМАТРИЧНОЙ СТРУКТУРЫ ПРИ СОВМЕСТНОЙ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ МЕХАНОАКТИВАЦИИ ПОРОШКОВ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ С КАРБИДОМ КРЕМНИЯ
© 2009 г. В. А. Попов, В. В. Чердынцев
ГОУ ВПО Московский государственный институт стали и сплавов, 119049 Москва, Ленинский просп., 4
Поступила в редакцию 28.05.2007 г.
Исследовали особенности фазово-структурного состояния композиционных материалов, получаемых совместной механоактивацией в высокоэнергетических планетарных мельницах с применением шаровой загрузки и квазициллиндрического мелющего тела порошковых сплавов АК12М2 и Д16 с карбидом кремния. Установлено, что тип мелющего тела оказывает существенное влияние на взаимную растворимость компонентов в исследуемых системах, дефектность кристаллической решетки обрабатываемого материала и его адгезию к мелющим телам и внутренней поверхности барабанов. Показано, что использование шаровой загрузки способствует взаимному растворению компонентов и обусловливает более высокую, по сравнению с квазицилиндрическим мелющим телом, деформацию кристаллической решетки. Наблюдаемые различия обсуждаются с использованием полученных ранее расчетным методом данных о соотношении нормальной и тангенциальной составляющих энергонапряженности для различных типов мелющих тел.
РАСБ: 81.20.Ev, 81.07 Вс
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время одним из перспективных и быстро развивающихся направлений создания новых материалов является получение композиционных материалов. Наиболее широко применяемой группой металломатричных дисперсно-упрочненных композитов являются материалы на основе алюминиевых сплавов. Композиционные материалы на основе А1 предназначены для применения в различных отраслях промышленности: аэрокосмической, автомобильной, в спортивной индустрии, в приборостроении, в производстве резинотехнических и наполненных полимерных изделий. Среди упрочняющих фаз широко применяют карбидные и оксидные соединения в виде частиц, в частности, карбид кремния, что связано с его уникальным сочетанием механических, физико-химических свойств и относительно невысокой стоимостью, а также хорошо налаженным производством порошков.
Одной из главных проблем, возникающих при проектировании любых композиционных материалов, в том числе и дисперсно-упрочненных, является необходимость обеспечения физико-химического взаимодействия между компонентами в процессе их получения и эксплуатации. Сочетание карбида кремния с алюминием представляет собой систему, в которой смачивание при умеренных температурах отсутствует.
Для обеспечения связи между наполнителем и матрицей предлагается использовать совместную механоактивацию компонентов композита. На данный момент существует довольно большое число способов получения композиционных материалов, однако применение метода механоак-тивации для решения подобных задач является относительно новым направлением материаловедения [1-3]. Идея метода заключается в том, чтобы смешать мягкую металлическую матрицу и твердые частицы упрочняющей фазы на микроскопическом уровне структуры до однородного распределения частиц.
В последние годы наблюдается устойчивый интерес к использованию методов механоактива-ции и механического сплавления для получения упрочненных частицами Б1С композиционных материалов на основе алюминия. Показано, что ме-ханоактивация позволяет получать равномерное распределение частиц наполнителя, в том числе наноразмерных, по объему матричного материала [4-8]. Установлено, что оптимальное качество соединения между частицами упрочнителя и матричного сплава может быть достигнуто совмещением техник механического сплавления и динамического компактирования [9].
Задачей настоящей работы является исследование особенностей фазово-структурного состояния комозиционных материалов, получаемых совместной механоактивацией порошковых сплавов
АК12М2 и Д16 с карбидом кремния, при обработке в высокоэнергетических планетарных мельницах с применением шаровой загрузки и квазицилиндрического мелющего тела. Эффективность использования квазицилиндрических мелющих тел для получения композиционных материалов ранее было показано экспериментально [10, 11], с использованием компьютерного моделирования был проведен сравнительный анализ работы планетарных механоактиваторов с шаровой загрузкой и с квазицилиндрическим мелющим телом [12]. Одной из задач настоящей работы являлось сравнение результатов воздействия на материал различных типов мелющих тел.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В качестве матричного материала были выбраны порошковые сплавы АК12М2 (А1 - 12% -2.2% Си - 0.2% - 0.3% Мп - 0.8% Бе) и Д16 (А1 -4.4% Си - 1.5% М§ - 0.7% Мп). В качестве наполнителя использовали порошок карбида кремния БЮ. Использовали два типа порошка БЮ, различающиеся по размерам частиц: со средним их размером 40 мкм, в дальнейшем обозначаемый 81С40 и со средним размером частиц 1 мкм в, дальнейшем обозначаемый БЮ1. В исходных порошках БЮ присутствует в основном одна модификация - по-литип II, (РБС ЬР12/14, структурный тип Р.б.Зше, период решетки а = 0.3081 нм), при этом было показано, что механоактивация используемых порошков Б1С не приводит к каким-либо изменениям их фазового состава [13]. Исходная шихта, загружаемая в барабаны мельниц, содержала 20 вес. % Б1С, остальное - порошки сплавов АК12М2 или Д16.
Механоактивацию проводили в атмосфере аргона. Для обработки использовались два типа планетарных механоактиваторов:
I. Мельница АГО-2У с барабанами объемом 160 см3 из стали ШХ-15. В качестве мелющих тел использовались шарами из того же материала диаметром 6.6 мм. Отношение массы шаров к массе обрабатываемого материала составляло 10:1 (150 г шаров и 15 г смеси порошков). Скорость вращения водила составляла 1200 об/ мин.
II. Мельница МПФ-1 е квазицилиндрическим массивным мелющим телом. Механоактиватор МПФ-1 отличается от АГО-2У большими размерами и возможностью вести обработку материалов одновременно в четырех барабанах. Барабаны и мелющее тело изготовлялись из стали ШХ-15, полезный объем барабанов составлял 284 см3. Отношение массы мелющего тела к массе обрабатываемого материала составляло 7:1 (масса мелющего тела 1120 и 160 г порошковой смеси в). Скорость вращения водила составляла 600 об/мин. Подробное описание мельницы с квазициллиндри-
съ Мщ
Рис. 1. Внешний вид шаров до обработки (слева) и после обработки в течение двух часов в планетарной шаровой мельнице АГО-2У смесей АК12М2 + 20 вес. % 81С1 (в центре) и АК12М2 + 20 вес. % Б1С40 (справа).
ческим рабочим телом приведено, в частности, в работе [12].
Исследование фазового состава и кристаллической структуры образцов проводили методом рентгеновской дифрактометрии на дифрактомет-ре ДРОН-3 на СиАа-излучении. Получаемые рентгенограммы анализировались с помощью ПЭВМ с использованием комплекса программ рентгено-структурного анализа. Оценку размера областей когерентного рассеяния и микродеформаций проводили по уширению рентгеновских линий.
Динамическое компактирование образцов проводили по методике, описанной в работе [9]. Структуру компактированных образцов исследовали с помощью просвечивающего электронного микроскопа 1БМ-2000 ЕХ. Испытания на длительную твердость проводили на твердомере ТШ-2 с размещенной на нем печью электросопротивления. Температура испытаний составляла 350°С. Время выдержки под нагрузками 500 и 750 кгс составляло 1 час.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Смеси АК12М2 + 20 вес. % БЮ40 и АК12М2 + + 20 вес % БЮ1 обрабатывали в планетарной шаровой мельнице АГО-2У в течение 30, 60 и 120 мин. В случае обработки с крупнодисперсным карбидом БЮ40 механоактивация приводила к налипанию всего обрабатываемого материала на мелющие тела, тогда как при обработке с мелкодисперсным карбидом 81С1 после обработке удавалось извлечь достаточное (ок. 10 г., т.е. 2/3 от исходного) количество порошка. Фотографии мелющих тел (шаров) до обработки и после обработки в течение двух часов смесей АК12М2 + 20 вес % БЮ40 и АК12М2 + 20 вес. % 81С1 представлены на рис. 1. Поверхность исходных шаров гладкая, блестящая. Поверхность шаров, с помощью которых обрабатывалась смесь АК12М2 + 20 вес. % ^С1 шероховатая, покрытая тонким слоем порошка.
Шары же, с помощью которых обрабатывалась смесь АК12М2 + 20 вес. % Б1С40, сильно увеличены в размерах по сравнению с исходными за счет нанесенного при механоактивации обрабатываемого материала, их характерный диаметр составляет ~8.0 мм, в то время как исходный диаметр равен 6.6 мм. Поверхность шаров, использованных для обработки смеси АК12М2 + 20 вес. % Б1С40, гладкая и блестящая. Таким образом, мелкодисперсный карбид кремния 81С1 при механоактива-ционной обработке смеси играет роль абразива, препятствуя нанесению пластичного материала матрицы на поверхность мелющих тел, тогда как крупнодисперсный карбид Б1С40 таким действием не обладает. Полученные результаты могут представлять интерес для разработки механоактива-ционных методов нанесения металлических покрытий, интерес к которым проявляется последнее время [14, 15].
На основании полученных результатов был сделан вывод о предпочтительности использования мелкодисперсного карбида кремния для получения металломатричных композитов путем механического сплавления. На рис. 2 представлены рентгеновские дифрактограммы смеси АК12М2 + + 20 вес. % БЮ1. Во всех образцах присутствуют твердый раствор на основе А1, и БЮ (политип II), качественных изменений фазового состава образцов со временем обработки не происходит. Результаты количественного фазового анализа приведены на рис. 3. Для образца, обработанного в течение 30 мин, количественный фазовый анализ дает завышенное количество Б1С и, соответственно, заниженное количество и твердого раствора на основе А1, относительно исходной шихты. Это свидетельствует о том, что на начальном этапе механосплавления происходит адгезия матричного сплава на стенках барабана и шарах, в результате чего извлекаемый после 30 мин обработки материал содержит относительно большее колич
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.