Модифицирование медных сплавов ультрадисперсными порошками

Полный текст

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.

Об авторах

Марианна Юрьевна Малькова

Российский университет дружбы народов

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

доктор технических наук, директор департамента машиностроения и приборостроения, Инженерная академия

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Александр Никитич Задиранов

Академия государственной противопожарной службы МЧС России

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

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры процессов горения и экологической безопасности, Учебно-научный комплекс процессов горения и экологической безопасности

Российская Федерация, 129366, Москва, ул. Бориса Галушкина, д. 4

Ирина Николаевна Герасимова

Академия государственной противопожарной службы МЧС России

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

старший преподаватель, кафедра процессов горения и экологической безопасности, Учебно-научный комплекс процессов горения и экологической безопасности

Российская Федерация, 129366, Москва, ул. Бориса Галушкина, д. 4

Татьяна Геннадьевна Грушева

Академия государственной противопожарной службы МЧС России

Автор, ответственный за переписку.
Email: malviktpp@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-0515-4167

старший преподаватель, кафедра процессов горения и экологической безопасности, Учебно-научный комплекс процессов горения и экологической безопасности

Российская Федерация, 129366, Москва, ул. Бориса Галушкина, д. 4

Список литературы