Влияние различных форм углерода на структуру композиционного сплава системы Al-Cu-Mn-TiC

72 СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ, №6 (14), 2017 УДК 536.74

ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФОРМ УГЛЕРОДА НА СТРУКТУРУ КОМПОЗИЦИОННОГО СПЛАВА СИСТЕМЫ Al-Cu-Mn-TiC

Луц Альфия Расимовна, к.т.н., доцент Рыбаков Антон Дмитриевич, аспирант Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия

В работе приведены результаты исследования влияния разных марок углерода 1) Т-900; 2) П-701; 3) С-2; 4) Активированного угля на протекание процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в расплаве, а также структуру композиционного сплава системы Al-Cu-Mn-TiC.

Ключевые слова: алюминий, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, композиционный сплав, карбид титана, углерод, магний.

Алюмоматричные композиты (АМКМ), дисперсно армированные тугоплавкими наночастицами карбида титана, из-за своих свойств представляют большой интерес для использования в различных отраслях производства: автомобилестроении, авиастроении и прочих. Однако в настоящее время наноструктурные алюминиевые композиционные материалы массово не производятся из-за незавершенности научно-технических основ создания подобных материалов, не позволяющих получать сплавы с заданными значениями физико-механических и эксплуатационных свойств и с частицами наноразмерной армирующей фазы. Применение метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) позволило достичь значительных успехов в получении композитов Al-TiC. Например, в рамках исследований Самарского государственного технического университета синтезирован АМКМ состава Al-Cu-Mn-TiC. Удалось добиться равномерного распределения TiC по объему расплава, средний размер зерна TiC в результате составил от 100 до 250 нм. Полученный сплав также показал хорошие механические свойства, сопоставимые с промышленными сплавами, получение которых занимает значительно больше времени: модуль упругости - 10175,94 МПа, прочность на сжатие - 180 МПа, условный предел текучести - 138,7 МПа, прочность на растяжение - 228,6 МПа.

До сих пор не исследовано влияние различных форм углерода, входящего в состав СВС-шихты карбида титана, на протекание СВС-реакции в ходе синтеза АМКМ, а также на его структуру. Изучение этого вопроса важно для обеспечения полноты протекания СВС-реакции, получения армирующей фазы TiC в расплаве алюминия, наноразмерности частиц TiC и равномерности их распределения в объеме матрицы алюминия, без чего невозможно достичь наилучших свойств АМКМ c наноразмерным армирующим TiC. Целью данной работы является изучение влияния углерода

разных марок, добавляемого в состав шихты, на процесс протекания СВС-реакции, на конечную структуру и свойства АМКМ.

Методика проведения экспериментов. Изначально подготавливалась шихта: порошки ^ Na2TiF6, Mn взвешивали^ на весах. Порошки ^ и C смешивались в стехиометрическом отношении 1:1. Далее галоидная соль Na2TiF6 в количестве 5% от массы шихты добавлялась в порошковую смесь Полученная композиция повторно смешивалась до равномер-

ного состояния. Готовую СВС-шихту дозировали в виде брикетов из алюминиевой фольги толщиной 50-100 мкм. Эти навески поочередно вводились в алюминиевый расплав. В качестве матричного расплава использовался чушковый алюминий марки А7.

СВС-синтез опытных образцов проводился в тигельной плавильной высокотемпературной печи ПП 20/12. Рабочее пространство печи нагревалось до 400-500°С, после чего в нее погружался графито-шамотный тигель типа ТГ-1 с чушковым алюминием. При температуре алюминия 850°С в составе навески вводился марганец в количестве 2% от массы плавки. Расплав активно перемешивался и далее следовала выдержка не менее 40 мин. Затем при температуре расплава 900°С вводилась медь в количестве 5 % от массы плавки, после чего следовало окончательное размешивание и выдержка не менее 40 мин. В полученный расплав последовательно вводились навески СВС-шихты. Каждую навеску держали под зеркалом расплава до начала активной СВС-реакции образования карбида титана. Во время реакции расплав тщательно перемешивали. Время ввода всех навесок составляло 2-4 мин. Время выдержки при включенной печи составляло 3-5 мин. Общее время с момента ввода первой навески до заливки расплава составляло 9-10 мин. После окончания СВС-реакции расплав выдерживался 5 мин, перемешивался, затем снимался шлак с поверхности, после чего расплав разливался в стальную изложницу.

Было проведено четыре эксперимента. В качестве источника углерода использовались следующие виды:

• Углерод марки Т-900 (ГОСТ 7885-86);

• Углерода марки П-701 (ГОСТ 7885-86);

• Коллоидный графит марки С2 (ТУ 113-08-48-63-90) (из естественного графита);

• Активированный уголь (в виде таблеток);

Первый эксперимент проводился с использованием технического углерода марки Т-900. Синтез прошел успешно: наблюдалась интенсивная реакция с резким и значительным искровыделением. После разливки в тигле присутствовало незначительное количество непрореагировавшей шихты. Образец стал более хрупким, что свидетельствует об усвоении вводимой шихты. Излом образца (рисунок 1, а) имел однородный серый цвет с множеством мелких пор. Исследование микроструктуры образца (рисунок 2, а) показало, что размеры частиц армирующей фазы составлял от 321 нм до 673 нм.

Следующий эксперимент проводился с применением П-701. Синтез прошел успешно: наблюдалась интенсивная реакция с резким искровыде-лением. В тигле присутствовало незначительное количество непрореаги-ровавшей шихты. Образец стал более хрупким, что свидетельствовало об усвоении конечным продуктом шихтового материала. Излом образца обладал сероватым равномерным оттенком (рисунок 1, б). Наблюдались многочисленные поры. Исследование микроструктуры (рисунок 2, б) показало снижение размеров частиц армирующего ТЮ: от 253 нм до 414 нм.

Третий эксперимент проводился с использованием С-2. Синтез был характерен неполнотой протекания реакции: в тигле присутствовало существенное количество непрореагировавшей шихтового материала. Процесс реакции проходил неинтенсивно: наблюдались незначительные вспышки, отсутствие искровыделения. Излом (рисунок 1, в) обладал сероватым оттенком с незначительным количеством пор. Исследование микроструктуры образца (рисунок 2, в) показал значительное укрупнение армирующей фазы - более одного микрометра.

Заключительный опыт проводился с таблетированным активированного угля. Таблетки перемалывались, смешивались с остальными компонентами шихты и вводились в расплав. Реакция синтеза отличалась от предыдущих экспериментов: помимо интенсивного искровыделения, наблюдался столб пламени, что может быть связано со значительной окисленностью частиц данного порошка. В тиглях присутствовало приемлемое количество непрореагировавшей шихты. Излом образца (рисунок 1, г) имел равномерный серый вид. Характерно практически полное отсутствие пор. Исследование микроструктуры (рисунок 2, г) показал, что размеры армирующей фазы варьировались в пределах от 274 нм до 650 нм.

Исследования показали, наиболее оптимальным является применение технического углерода марки П-701. Данный вывод обусловлен следующими причинами: использование П-701 благоприятно влияет на запуск и протекание реакции СВС, позволяет получить наиболее малый размер частиц армирующего ТЮ, равномерно распределенного в конечном сплаве. Применение углерода Т-900 и активированного угля также благоприятно способствуют запуску и протеканию реакции СВС, однако размер частиц армирующей фазы при их использовании имеют больший размер. Коллоидный графит марки С-2 не рекомендуется к применению, так как не обеспечивает должного запуска и протекания реакции СВС и размера частиц армирующей фазы.

в г

Рисунок 2 - Изломы образцов: а) углерод марки Т-900; б) углерод марки П-701; в) графит марки С2; г) активированный уголь

в г

Рисунок 3 - Микроструктура образцов:

а) углерод Т-900; б) углерод П-701; в) графит С-2; г) активированный уголь

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ по проекту № 1748-630695/17.

Список литературы

1. Амосов, А.П. Научно-технические основы применения процессов СВС для создания литых алюмоматричных композиционных сплавов, дискретно армированных нано-размерными керамическими частицами. А.П. Амосов, В.И. Никитин, К.В. Никитин, С.А. Рязанов, А.А. Ермошкин [Текст]/ Наукоемкие технологии в машиностроении. -2013, №8 (26). - С. 3-9.

2. Jin et al.: Self-propagating high-temperature synthesis of nano-TiCx particles with different shapes by using carbon nano-tube as C source. / Shenbao Jhin, Ping Shen, Dongshuai Zhou, Qichuan Jiang / Nanoscale Research Letters, 2011. 6:515.

Luts Alfiya Rasimovna, Associate Professor

Samara State Technical University, Samara, Russia

Rybakov Anton Dmitrievich, Graduate Student

Samara State Technical University, Samara, Russia

INFLUENCE OF CARBON FORMS ON THE SHS-REACTION AND ON THE STRUCTURE OFCOMPOSITE ALLOY SYSTEM Al-Cu-Mn-TiC

Abstract. The results of the investigation of the influence of several carbon forms 1) T-900; 2) П-701; 3) C-2; 4) Activated carbon on the process of self-propagating high-temperature synthesis in the melt, as well as the structure of the composite alloy system Al-Cu-Mn-TiC.

Key words: aluminum, self-propagating high-temperature synthesis, composite alloy, titanium carbide, carbide, magnesium.

УДК 621.762.2 + 536.46

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ НИТРИДА

КРЕМНИЯ ИЗ СИСТЕМЫ «ГЕКСАФТОРСИЛИКАТ НАТРИЯ -АЗИД НАТРИЯ» ПО АЗИДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ СВС Майдан Дмитрий Александрович, к.т.н., доцент, доцент (e-mail: mtm.samgtu@mail.ru) Титова Юлия Владимировна, к.т.н., доцент (e-mail: titova600@mail.ru) Самарский государственный технический университет г.Самара, Россия

В данной статье рассмотрена азидная технология СВС для получения нитридов. Представлены результаты экспериментально-теоретических исследований процесса синтеза микро- и нанопорошков нитрида кремния в системе «Na2SiF6+4NaN3+xSi» в режиме горения. Определены параметры горения и синтеза. Исследована морфология частиц микро- и нанопорош-ков нитрида кремния.

Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез; галоидная соль; азид натрия; нитрид кремния; нанопорошок.

Нитрид кремния является одним из востребованных и перспективных соединений для создания керамических материалов, обладающих высокой