Особенности структурного состояния лигатур Al-C

УДК 669.24/29.018:[539/25+539/26]

Д. В. Куис, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой (БГТУ);

Н. А. Свидунович, доктор технических наук, профессор (БГТУ);

Г. П. Окатова, кандидат технических наук, старший научный сотрудник (БГТУ);

А. Т. Волочко, доктор технических наук, профессор (ФТИ НАН Беларуси);

А. П. Ласковнев, доктор технических наук, профессор, член-корреспондент, заместитель директора (ФТИ НАН Беларуси);

С. Н. Лежнев, кандидат технических наук, доцент, проректор по учебной работе

ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ ЛИГАТУР AL-C

В работе приведены результаты исследования структурообразования лигатур Al-C, полученных с использованием фуллеренов С60, фуллеренсодержащей сажи, фуллереновой черни и микрокристаллического углерода.

This work contains research results structure formation of alloys Al-C, the obtained with the fullerene C60, fullerenes soot, fullerenes black and micro-crystalline carbon.

Введение. Актуальной проблемой современного материаловедения является поиск составов с использованием нанометриалов для разработки новых материалов, обладающих физическими свойствами, обеспечивающими потребности современной техники.

Современные композиционные материалы обладают большей удельной прочностью, чем лучшие конструкционные алюминиевые, магниевые и титановые сплавы. Имеются серьезные основания утверждать, что физико-механические свойства конструкционных материалов, применяемых в настоящее время, не являются достаточными для ряда перспективных изделий. Таким образом, необходимы композиционные материалы с более высоким уровнем свойств, повышения которых можно достичь путем оптимизации существующих технологий и составов материалов, а также применения новейших технологий и материалов, в частности нанотехнологий и наноматериалов.

Наноструктурирование рассматривается в качестве одного из наиболее перспективных путей повышения физико-механических свойств конструкционных и функциональных материалов. Известно, что свойства наноструктурных композиционных материалов (НКМ) в значительной степени определяются как свойствами самих наночастиц, так и особенностями их взаимодействия [1]. Одним из быстро развивающихся в настоящее время направлений является создание новых НКМ с металлической матрицей, упрочненных различными углеродными наноструктурами (УНС).

Основная часть. В результате проведения работ в направлении создания новых металлических материалов на основе алюминия и на-ноуглеродных материалов были получены опытные образцы лигатур А1-С.

Для получения таких лигатур использовалась литейно-деформационная технология, раз-

работанная в Физико-техническом институте НАН Беларуси, включающая смешивание порошковых компонентов шихты, проведение механоактивации полученной смеси, экструди-рования шихты с получением лигатуры.

Образцы готовились из порошков алюминия с размером частиц основной фракции 5-100 мкм и ряда наноуглеродных материалов в соотношении Al - 10 мас. % С в исходной смеси.

В качестве углеродных материалов использовались:

- фуллереносодержащая сажа производства института им. Иоффе, Санкт-Петербург;

- фуллерены С60 производства института им. Иоффе, Санкт-Петербург;

- фуллереновая чернь производства института им. Иоффе, Санкт-Петербург;

- углеродные микрочастицы размером 3, 4, 9 мкм, производства ASBURY GRAPHITE MILLS, INC., США.

В соответствии с задачей исследований по изысканию возможности замены при создании новых материалов дорогостоящего фуллерена на более дешевый фуллеренсодержащий материал изготовление образцов с введением фуллеренов, как эталонных, производилось для сравнения.

Методами рентгеноструктурного анализа, световой микроскопии, сканирующей электронной микроскопии c системой качественного и количественного микрорентгеноспектрального анализа, метода измерения микротвердости исследованы элементный, фазовый состав, структурное состояние и показатели механических свойств исходных компонентов, шихты после ее механоактивации, лигатур Al-C после экс-трудирования шихты.

Результаты комплексных исследований порошка фуллереновой сажи ФТИ им. А.Ф. Иоффе, РАН показали, что порошок состоит из дисперсных частиц сажи и крупных частиц фуллеренов. При этом сажа в основе своей состоит из аморф-

Общеинженерные вопросы лесопромышленного комплекса

217

ного углерода, содержит =8% фуллеренов и не содержит, кроме небольшого количества кислорода, никаких посторонних примесей. Фуллере-новая чернь на 100% состоит из сажистого углерода, какие либо другие примеси не обнаружены. Порошок состоит из частиц небольшого размера от 3-5 мкм и очень больших частиц, но все это только конгломераты. По данным [2], фуллере-новая чернь представляет собой черный мелкодисперсный порошок с размерами частиц 40-50 нм. Частицы микрокристаллического углерода имеют вид как пластинок, чешуек, типичных для гексагонального кристаллического строения, так и микрогранул сферической формы.

Исследования шихты после ее механоакти-вации показали, что в шихте системы А1-С при ее механоактивации протекают процессы пластического деформирования исходных порошковых компонентов и не наблюдается изменений элементного и фазового составов. При этом полученные топограммы порошков шихты с различными углеродными добавками схожи.

Результаты исследований композиций А1-С после экструдирования шихты показали, что в образцах выявлены необычные для А1-С сплавов сверхтвердые частицы серого цвета (рис. 1). При замерах микротвердости этой фазы обнаружен эффект восстановления отпечатка ин-дентора, что указывает на ее весьма высокие упругие свойства. Микрорентгеноспектраль-ным анализом ББХ (рис. 1, г) установлено, что эта сверхтвердая фаза - углеродная. В микроструктуре ряда образцов (особенно в серии с фуллереновой чернью) наблюдались частицы серой фазы с волнистой, без следов шлифования-полирования поверхностью (рис. 1, а, 2), имеющие очень высокую микротвердость: отпечатки индентора на изображении практически не видны, отпечатки съезжают с частицы, оставляя кресты со сколом (рис. 2). Такое поведение этой фазы при измерении микротвердости свидетельствует об их высокой твердости, возможно, близкой по значению к твердости алмаза.

б

а

в

2000180016001400-

К 200-ё

д 000800 600 400 200 0

С к

<

1—Г—

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 ке V

Б1ешеШ (ке V) ШЯББ % Бггог % Аг %

С к 0.277 85.64 0.89 93.05

А1 К 1.486 14.36 0.49 6.95

ТоМ 100.00 100.00

г

Рис. 1. Структура образцов лигатур А1-С: а - А1 + 10% фуллереновой черни, х500; б - А1 + 10% фуллеренов, х500; в - А1 + 10% фуллереновой сажи, х500; г - результаты микрорентгеноспектрального анализа ББХ серой фазы в лигатуре А1 + 10% фуллереновой черни

Рис. 2. Частица волнистой серой фазы с нанесенными отпечатками индентора

Такую фазу содержат все изготовленные с наноуглеродными добавками образцы - и с фул-леренсодержащей сажей, и с фуллереновой чернью, и с фуллеренами С6о (рис. 1). Анализ показал, что размеры, форма и количество особо твердой чисто углеродной фазы с высокой упругостью различны в лигатурах разных составов.

Авторами настоящих исследований параллельно проводятся работы по разработке технологии получения новых материалов на наноугле-родной основе с добавкой железа путем высокотемпературного (=1000°С) преобразования высоким давлением (4-5 ГПа) [3]. В результате были получены образцы композитов (90% фуллерено-вой сажи + 10% мас. Бе) с тремя основными типами серой фазы: волнистой, гладкой темно-серой фазой с огранкой и серой фазой «основа» (рис. 3).

Рис. 3. Морфология частиц и «основы» серой фазы в образце - 90% мас. фуллереновой сажи + 10% Бе

Исследования показали, что структура и поведение серых фаз при измерении микротвердости в системах Л1—С и С—Бе схожи. Однако вышеописанные структурные состояния в случае систем Л1—С и С—Бе были получены в существенно отличающихся условиях, что предполагает проведение дальнейших исследований.

Анализ результатов исследования структурного состояния образцов композиций алюминий - микрокристаллический углерод после экструдирования шихты показал равномерное

распределение углеродной составляющей (черных и серых включений) в алюминиевой матрице. При этом малые размеры углеродных включений не позволяют произвести замеры их микротвердости, что не дает возможности идентифицировать их как сверхтвердые углеродные фазы, которые были получены в случае использования наноуглеродных добавок.

Заключение. Таким образом, поэтапно изучено структурное состояние лигатур Л1-С при их получении. При этом исследования не выявили принципиальных отличий в структурообразова-нии лигатур Л1-С, полученных с использованием дорогостоящих фуллеренов, в сравнении с лигатурами, полученными с использованием более дешевых наноуглеродных материалов, что делает их перспективными для промышленного освоения. Такие лигатуры могут быть использованы в качестве добавок, содержащих ультрадисперсное углеродосодержащее сырье различных модификаций, при создании новых антифрикционных композиционных материалов системы Л1—С для объектов новой техники, отличающихся высокими техническими характеристиками, в частности для прецизионных деталей машиностроения, изделий, работающих на трение при повышенных нагрузочно-скоростных условиях.

Литература

1. Гусев, И. А. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства / И. А. Гусев. — Екатеринбург: УпО РАН, 1998. — 198 с.

2. Гусев, А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии / А. И. Гусев. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. — 416 с.

3. Влияние условий термобарической обработки наноуглерода под высоким давлением на образование и тонкую структуру сверхтвердой фазы / В. С. Урбанович [и др.] // Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология: тез. докл. Восьмой Междунар. конф., Троицк, 25—28 сент. 2012 г. / ФГУ ТИСНУМ. — Троицк: Тровант, 2012. — С. 500—510.

Поступила 21.02.2013