Modification of copper alloys with ultrafine powders

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Modification of metal melts by mechanochemically activated ultrafine powders (UDP) makes it possible to obtain ferrous and non-ferrous metal alloys with fundamentally new performance properties due to changes in the structure of metal alloys. The purposes of this work were to analyse the efficiency of the process of modifying copper alloys with ultrafine powders and to develop a special device for introducing a modifier into the melt. Experimental studies of the process of modifying melts of aluminum, silicon and tin bronze with mechanochemically activated UDP of natural graphite, as well as silicon and aluminum oxides with a fraction of -100+0 microns in a concentration of 0.2-0.25 % were carried out. It is shown that the modification of bronze melts by the above-mentioned powders affects the microstructure of alloys, intensively grinding it in comparison with the initial structure. It was found that the reduction in the size of the dendritic cell in comparison with the initial alloy reaches 25%, and the micrograin - 230%. Grain grinding leads to an increase in the mechanical properties of copper alloys, such as Brinell hardness HB, tensile strength σb, elongation δ. For more efficient implementation of the process of modifying metal melts with ultrafine powders, an original design of a device for introducing modifiers into the melt has been developed, characterized by simplicity and cost-effectiveness of execution.

Full Text

Введение Среди различных способов, направленных на улучшение физико-механических и эксплуатационных свойств металлических сплавов, все большее значение приобретает модифицирование металлических расплавов механохимически активированными ультрадисперсными порошками (УДП) [1-4]. Модифицированные таким образом сталь [5-6] и чугун [7-10], алюминиевые [11-15] и медные сплавы [16] приобретают уникальные, ранее никогда не проявлявшиеся свойства. Цели работы - изучение эффективности процесса модифицирования ультрадисперсными порошками сплавов на основе меди (бронза БрА7, БрК3Мц1 и БрО5Ц5С5) и разработка специального устройства для введения модификатора в расплав. Методика проведения экспериментов Объектами исследования стали расплавы алюминиевой, кремниевой и оловянной бронзы, химический состав которых представлен в табл. 1 и 2[12], и их модификаторы (УДП природного графита, а также оксидов алюминия и кремния фракцией -100+0 мкм). Расплавы готовились переплавом стружки на лабораторной плавильной установке с графитовым тиглем емкостью 400 см3. Ввод ультрадисперсных порошков в металлический расплав осуществляют различными методами. Связано это с тем, что при жидкофазном методе модифицирования прямое введение УДП в расплав приводит к компактированию частиц, их пылевыносу и интенсивному окислению при всплывании на поверхность расплава [17]. Поэтому перед введением в расплав проводят сложную и дорогостоящую подготовку порошков. Порошки предварительно прессуют в брикеты либо покрывают их поверхность металлическими пленками (плакирование, напыление, наплавка) [18]. В.В. Сенкус и колл.2 предлагают способ модифицирования металлов и сплавов смесью УДП, содержащей оксид алюминия Аl2О3, карбидоподобную фазу FeAlCn и гидрооксид алюминия Аl(ОН)3. При этом измельчение смеси производят в постоянном магнитном поле напряженностью 0,1-0,5 Тc, размер частиц УДП составляет 102-103 нм. Недостатком способа является аппаратурная сложность его реализации и высокая энергоемкость. Таблица 1 Химический состав бронз БрА7 и БрК3Мц1, % Марка Al Sn Zn Fe Si Pb Cu Mn Примеси БрА7 6-8 0,1 0,5 0,5 0,1 0,03 90,9-94 0,5 1,6 Бр3К3Мц - 0,25 0.5 0,3 2,75-3,5 0,03 94-96,3 1-1,5 1,1 Table 1 Chemical composition of bronzes BrA7 and BrK3Mc1, % Grade Al Sn Zn Fe Si Pb Cu Mn Impurities BrA7 6-8 0.1 0.5 0.5 0.1 0.03 90.9-94 0.5 1.6 BrK3Mc1 - 0.25 0.5 0.3 2.75-3.5 0.03 94-96.3 1-1.5 1.1 Таблица 2 Химический состав бронзы БрО5Ц5С5, % Марка Al Sn Zn Fe Si Pb Cu P Примеси БрО5Ц5С5 0,05 4-6 4-6 0,4 0,05 4-6 80,7-88 0,1 1,3 Table 2 Chemical composition of bronze BrO5C5C5, % Grade Al Sn Zn Fe Si Pb Cu P Impurities BrO5C5C5 0.05 4-6 4-6 0.4 0.05 4-6 80.7-88 0.1 1.3 В этой связи было разработано устройство для модифицирования металлических расплавов путем ввода УДП непосредственно в расплав. Концентрация УДП составляла 0,2-0,25 % от веса расплава. Устройство (рис. 1) представляет собой графитовый разборный контейнер (1) глобулярной формы диаметром 12-15 мм, толщина стенки 2-3 мм3.[13] При подготовке контейнера к работе его разбирают, разделяя на две равные чаши (2). Чаши контейнера изготовлены в форме двух полусфер, скрепленных между собой при помощи резьбового соединения (3). Чаши выполняются с перфорированной поверхностью (4) диаметром 2-3 мм. Перед загрузкой в устройство модификатора отверстия (4) перфорированной поверхности чаш (2) плотно затыкают бумагой или ватой. Модификатор загружается в контейнер в виде порошка либо в виде прессованных таблеток. После загрузки модификатора чаши соединяют, получая единый контейнер (1). Рис. 1. Устройство для ввода УДП в металлический расплав: 1 - разборный контейнер (силицированный графит); 2 - составные чаши контейнера; 3 - резьба; 4 - перфорированная поверхность; 5 - тигель (или разливочный ковш); 6 - металлический расплав; 7 - графитовая сетка Figure 1. Device for entering ultrafine powders (UFP) into a metal melt: 1 - collapsible container (silicified graphite); 2 - composite container bowls; 3 - thread; 4 - perforated surface; 5 - crucible (or ladle); 6 - metal melt; 7 - graphite mesh Затем контейнеры (по 3-4 шт.) опускают на дно тигля (5). Чтобы контейнеры не всплыли сразу после заливки жидкого металла (6) в тигель, сверху над ними устанавливают графитовую сетку (7). После заливки металла в тигель производится его выдержка, необходимая для прохождения процесса модифицирования, а затем - подача в изложницы (формы). По окончании процесса литья тигель устанавливают на площадку для охлаждения, после чего из него вынимают графитовую сетку4 и контейнеры. При заполнении тигля металлическим расплавом загруженный на его дно контейнер с модификатором некоторое время будет удерживаться графитовой сеткой. В течение этого времени в отверстиях полусфер прогорит бумага (или вата) и сквозь перфорированную поверхность прольется жидкий металл, заполняя контейнер. Заполнив контейнер, жидкий расплав захватывает дисперсный порошок и уносит его в объем расплава, производя модифицирование последнего. Результаты обсуждение Модифицирование бронзы производили алюминий- и кремнийсодержащими УДП фракции -100+0 мкм в концентрации 0,2-0,25 % (рис. 2). Результаты исследования состава и структуры модифицированных УДП алюминиевой и кремнистой бронзы (БрК3Мц1 и БрА7 соответственно, табл. 1) представлены в табл. 3. Установлено, что вследствие модифицирования происходит интенсивное измельчение структурных составляющих сплава при одновременном повышении его механических свойств (табл. 3, рис. 3). а б Рис. 2. УДП оксидов алюминия и кремния при различном увеличении: а - ×7500; б - ×38 300 Figure 2. Ultrafine powders (UFP) of aluminum and silicon oxides at different magnification: а - ×7500; б - ×38,300[14] http://www.microstructure.ru/default.aspx?mode=image&id=299 http://www.microstructure.ru/default.aspx?mode=image&id=303 а б Рис. 3. Микроструктура бронзы БрА7 (увеличение ×100): а - немодифицированная; б - после модифицирования МХА порошком оксида алюминия фракцией -100+0 мкм Figure 3. Microstructure of bronze BrA7 (magnification ×100): a - unmodified; б - after modification of MOSS with aluminum oxide powder fraction -100+0 microns Таблица 3 Механические свойства модифицированных бронз БрА7 и БрК3Мц1, МПа, оксидов алюминия и кремния фракцией -100+0 мкм Сплав Модификатор, % σв, МПа δ, % НВ, МПа Размер Зерна, мм Дендритной ячейки, мкм БрА7 0 1000 4 70 1,238 27,42 БрА7 Al2O3 (0,25 %) 1040 5 74 0,533 27,15 БрК3Мц1 0 350 25 95 1,141 20,45 БрК3Мц1 SiO2 (0,25 %) 390 27,7 97 0,655 20,16 Table 3 Mechanical properties of modified bronzes BrA7 and BRK3MTS1, MPa, of aluminum and silicon oxides with a fraction of -100+0 microns Alloy Modifier, % σв, МРа δ, % НВ, МРа Size Grain, mm Dendritic cell, µm BrA7 0 1000 4 70 1.238 27.42 BrA7 Al2O3 (0.25%) 1040 5 74 0.533 27.15 BrK3Mc1 0 350 25 95 1.141 20.45 BrK3Mc1 SiO2 (0.25%) 390 27.7 97 0.655 20.16 а б Рис. 4. Размер и форма частиц природного графита марки ГЛ-1 (ГОСТ 5279-74[15]) при различном увеличении: а - ×15 000; б - ×30 000 Figure 4. Size and shape of natural graphite grade GL-1 (GOST 5279-74[16]) particles at various magnifications: a - ×15,000; б - ×30,000 Таблица 4 Механические свойства модифицированной бронзы БрО5Ц5С5 порошком природного графита фракцией -100+0 мкм Сплав Модификатор, % Механические свойства Размер σв, МПа δ, % НВ, МПа Зерна, мм Дендритной ячейки, мкм БрО5Ц5С5 0 176 4 60 1,32 28,75 Графит ГЛ-1 (0,2) 180 6,5 64 0,94 21,56 Table 4 Mechanical properties of modified bronze BrO5C5C5 with natural graphite powder fraction -100+0 microns Alloy Modifier, % Mechanical properties Size σв, МРа δ, % НВ, МРа Grain, mm Dendritic cell, µm BrO5C5C5 0 176 4 60 1.32 28.75 Graphite GL-1 (0.2) 180 6.5 64 0.94 21.56 Таким образом, модифицирование бронзы УДП оксидов алюминия и кремния фракцией с размерами -100+0 мкм позволяет получать сплавы с улучшенными характеристиками внутренней структуры и механических свойств. Однако при модифицировании кремнистой и алюминиевой бронзы порошками оксидов алюминия и кремния фракцией наноразмеров возможно следующее взаимодействие модификатора с расплавом: Al2O3 + [Al] → 3[Al] + 3[O], (1) SiO2 + [Si] → 2[Si] + 2[O]. (2) По этой причине дальнейшие эксперименты провели с бронзой марки БрО5Ц5С5 (табл. 2), модифицируя сплав УДП порошком углерода марки ГЛ-1 фракцией -100+0 мкм как абсолютно индифферентным к металлическому расплаву и его компонентам (рис. 4). Полученные результаты представлены в табл. 4. Модифицирование бронзы БрО5Ц5С5 УДП природного графита марки ГЛ-1 сопровождалось интенсивным измельчением микрозерна и дендритной ячейки, при этом значительно улучшились показатели механических свойств сплава. Заключение Проведены экспериментальные исследования процесса модифицирования бронзы БрА7, БрК3Мц1, БрО5Ц5С5 УДП оксидов кремния и алюминия, а также природного графита фракцией -100+0 мкм в концентрации 0,2-0,25 %. Показано, что модифицирование ультрадисперсными мехонохимически активированными порошками расплавов бронзы отражается на микроструктуре сплавов, интенсивно измельчая ее по сравнению с исходной структурой. Установлено, что уменьшение размеров дендритной ячейки модифицированных сплавов составляет 1-25 %, зерна - 175-230 %; при этом повышаются механические свойства металла (%): σв - 3,84-10,25; НВ - 2-5,04; δ - 9,74-20. Разработано устройство для модифицирования жидкого металлического расплава порошковыми модификаторами.
×

About the authors

Marianna Yu. Malkova

Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University)

Email: malkova-myu@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0002-6939-1658

Doctor of Technical Sciences, Director of the Department of Mechanical Engineering and Instrumentation, Academy of Engineering

6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian Federation

Alexander N. Zadiranov

State Fire Academy of EMERCOM of Russia

Email: zadiranov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7787-8290

Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Department of Combustion Processes and Environmental Safety, Educational and Scientific Complex of Combustion Processes and Environmental Safety

4 Boris Galushkin St, Moscow, 129366, Russian Federation

Irina N. Gerasimova

State Fire Academy of EMERCOM of Russia

Email: malviktpp@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-7829-9610

senior lecturer, Department of Combustion Processes and Environmental Safety, Educational and Scientific Complex of Combustion Processes and Environmental Safety

4 Boris Galushkin St, Moscow, 129366, Russian Federation

Tatiana G. Grusheva

State Fire Academy of EMERCOM of Russia

Author for correspondence.
Email: malviktpp@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-0515-4167

senior lecturer, Department of Combustion Processes and Environmental Safety, Educational and Scientific Complex of Combustion Processes and Environmental Safety

4 Boris Galushkin St, Moscow, 129366, Russian Federation

References

  1. Karabasov YuS. New materials. Moscow: MISiS Publ.; 2002. (In Russ.)
  2. Cekhanov YuA, Harchenko IV, Dzhemalyadinov RM, Skakun VV. Influence of ultradispersed modificators of fluids on power characteristics of the process of cutting construction materials. Bulletin of Voronezh State Technical University. 2018;14(6):140–145. (In Russ.)
  3. Zadiranov AN, Koltunov II, Malkova MYu. Nanotechnology in metallurgy. Moscow: CKT Publ.; 2012. (In Russ.)
  4. Krushenko GG. Application of nanopowders of chemical compounds to improve the quality of metal products. Tekhnologiya Mashinostroeniya. 2002;(3):3–6. (In Russ.)
  5. Zykova A, Kalashnikov M, Popova N, Kurzina I. Fine structure and phase composition of Fe–14Mn–1.2C steel: influence of a modified mixture based on refractory metals. International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. 2017;24(5):523–529.
  6. Zykova AP, Fedoseev SN, Lychagin DV. Steel GX120MN12 modifying by ultradisperse powders of refractory metal oxides. Handbook. An Engineering Journal. 2014;(9(210)):3–7. (In Russ.) https://doi.org/10.14489/hb.2014.09.pp.003-007
  7. Zykova AP, Chumaevskij AV, Lychagin DV, Kurzina IA, Abzaev YuA, Dement TV. The effect of modification of metal oxides by ultrafine powders on the deformation behavior and destruction of cast iron of the ICHH28H2 grade. Izvestiya Vysshih Uchebnyh Zavedenij. Fizika. 2013;56(12–2):110–115. (In Russ.)
  8. Zykova AP, Kurzina IA, Chumaevskij AV, Lychagin DV. Modification of cast iron with ultrafine powders of metal oxides. In: Kuzminov AL. (ed.) Scientific and Technical Progress in Ferrous Metallurgy: 1st International Scientific and Technical Conference (Cherepovets, 2–4 October 2013). Cherepovets; 2013. p. 112–114. (In Russ.)
  9. Zykova AP, Lychagin DV, Chumaevskij AV, Kurzina IA, Novomejskij MYu. Influence of modification by ultradispersed powders of oxides of refractory metals and cryolite on the structure, mechanical properties and destruction of SCH25 cast iron. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2014:57(11):37–42. (In Russ.)
  10. Zykova A, Lychagin D, Chumaevsky A, Popova N, Kurzina I. Influence of ultrafine particles on structure, mechanical properties, and strengthening of ductile cast iron. Metals. 2018;8(7):559. http://doi.org/10.3390/MET8070559
  11. Panin SV, Kornienko LA, Vannasri S, Ivanova LR, Shilko SV. Comparative analysis of the influence of nano- and microfillers of oxidized al. on the frictional-mechanical characteristics of UHMWPE. Journal of Friction and Wear. 2010;31(5):371–377. (In Russ.)
  12. Zykova A, Martyushev N, Skeeba V, Zadkov D, Kuzkin A. Influence of W addition on microstructure and mechanical properties of Al-12%Si alloys. Materials. 2019;12(6):981. https://doi.org/10.3390/ma12060981
  13. Zykova A, Kazantseva L, Vorozhtsov A, Kurzina I, Popova N. Influence of modifying mixtures on Si crystal formation in Al-7%Si alloy. Metals. 2018;8(2):98. https://doi.org/10.3390/MET8020098
  14. Martyushev NV, Bashev VS, Zykova AP. Influence of soaking time of modifier in melt on microstructure of Al-12%Si alloys. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017;177:012118. https://doi.org/10.1088/1757-899X/177/1/012118
  15. Bashev VS. Investigation of the effect of ultrafine powder W on the structure and properties of the foundry alloy of the Al-Si system. 24th Tupolev Readings (School of Young Scientists: Texts of Reports of Participants of the International Youth Scientific Conference (vol. 1, p. 231–235). Kazan; 2019. (In Russ.)
  16. Semenkov IV, Martyushev NV, Drozdov YY, Zykova AP, Popelyukh AI, Alpeisov AT. The influence of modification by superdispersed powders on the lead-TiN-base bronze structure. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016:012114. https://doi.org/10.1088/1757-899X/124/1/012114
  17. Serikbol A, Fedoseev SN. Modification of materials with ultrafine powders. In Gorokhov AA (ed.) Perspective development of science, technology and technologies. Materials of the 3rd International Scientific and Practical Conference (vol. 3). Kursk; 2013. p. 205–207. (In Russ.)
  18. Saburov VP, Cherepanov AN, Zhukov MF, Galevskij GV, Krushenko GG, Borisov VT. Plasma chemical synthesis of ultrafine powders and their application for modification of metals and alloys. Low-Temperature Plasma (vol. 12). Novosibirsk: Nauka Publ.; 1995. (In Russ.)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2022 Malkova M.Y., Zadiranov A.N., Gerasimova I.N., Grusheva T.G.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.