Особенности механохимической активации шихты Al-Si и формирова-ния горячедеформированного порошкового материала на её основе

Аннотация

М.К. Дюжечкин, С.Н. Сергеенко

Дата поступления статьи: 26.05.2014

В работе исследована механохимическая активация порошковых шихт в сухой и жидких средах, сопровождающаяся агломерацией частиц. При обработке в сухой среде шихты Al-Si происходит формирование агломерированных частиц, частично (2 %мас.) разрушающихся при растирании пестиком в ступке и характеризующихся бимодальным распределением по размерам. Переход к жидким средам приводит к одномодальному распределению по размерам и повышению дисперсности агломерированных частиц, характеризующихся вторичной агломерацией при использовании спирта и разрушением при активации в насыщенном водном растворе борной кислоты. Установлено наследственное влияние параметров механохимической активации на процессы уплотнения при холодном прессовании и горячей штамповке. Применение обработанной в высокоэнергетической мельнице в среде насыщенного водного раствора H3BO3 шихты Al-Si приводит к формированию формовок с пониженной относительной плотностью холодного прессования (0,735) и активации процессов уплотнения горячей штамповки (|εh|=0,592), обеспечивающих получение горячедеформированного порошкового материала с повышенными механическими свойствами.

Ключевые слова: механохимическая активация, горячедеформированный порошковый материал, алюминий, кремний, диспергирование, агломерация.

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

05.02.08 - Технология машиностроения

Введение. Порошковая металлургия позволяет получить материалы на основе алюминия [1, 2] с повышенными физическими и механическими свойствами, недостижимыми традиционными методами. Формирование мелкодисперсной структуры, обеспечивающей упрочнение порошкового горячедеформированного материала (ГДПМ) системы Al-Si, достигается струйным компактированием, использованием распыленных порошков на основе сплава Al-Si [3, 4] и механическим легированием матричного сплава кремнием [4]. Для активации процессов консолидации дискретного порошкового материала используют предварительную обработку шихты в высокоэнергетической планетарной мельнице [5, 6]. Механохимическая активация (МХА) обеспечивает превращение структуры обрабатываемых материалов частиц, сопровождающееся изменением реакционной способности активируемых материалов [7]. Запасенная энергия при МХА определяется изменением межплоскостных расстояний кристаллической решетки активируемого материала, свежеобразованной поверхностью блоков мозаики и микродеформацией. Проблема налипания Al к стенкам кюветы при обработке шихты решается применением жидкой размольной среды спирта [8] и насыщенного водного раствора борной кислоты (НВРБК) [9]. Жидкие среды обеспечивают повышение эффективности обработки порошкового материала за счет абсорбционного понижения прочности (эффект Ребиндера), способствующего разрушению частиц шихты, агломератов на их основе и препятствующего агломерации частиц между собой. Проведенные исследования в ЮРГТУ(НПИ) [10] показали, что при МХА в среде НВРБК на частицах формируется плакирующий слой на основе B₂O₃ препятствующий окислению Al в воздушной среде при нагреве [11, 12]. Использование механохимически активированной шихты на основе Al [9, 10] обеспечивает повышение интенсивности процессов уплотнения горячей штамповки и формирование мелкодисперсной структуры горячедеформированного порошкового материала.
Цель работы – установить особенности влияния состава жидких размольных сред на процессы диспергирования-агломерации при механохимической активации шихты Al-Si и формирования физических и механических свойств горячедеформированных порошковых материалов на ее основе.
Методика проведения эксперимента. На основании предварительно проведенных исследований [13] горячей штамповки (ГШ) стружкового порошка сплава АЛ30, была предложена технология изготовления образцов, включающая приготовление шихты, холодное прессование (ХП) давлением 310 МПа, кратковременный (0,12 кс) нагрев (600 ⁰С) и ГШ с приведенной работой 65 МДж/м³. В качестве исходных материалов для приготовления шихты Al-Si (18 % мас.) использовали порошки алюминия ПА-4 и кремния Кр00 фракции менее 63 мкм. Активирование шихт проводили в шаровой планетарной мельнице САНД-1 при частоте вращения ротора 290 мин^-1, соотношении масс шаров (диаметр шаров 10 мм) и шихты 10:1. Для сравнительного анализа влияния сухих и жидких размольных сред в процессе МХА использовали сухую (Т1) и жидкие среды (таблица 1) НВРБК (Т2) и спирта (Т3).

Таблица № 1
План проведения эксперимента при исследовании МХА шихт алюминий-кремний и алюминий-кремний-графит

Для оценки степени агломерирования частиц шихты в процессе МХА определяли коэффициент () и показатель агломерации () с учетом среднего размера частиц исходной d_н, активированной d₀ и прошедшей растирание пестиком в ступке d₁ шихты.
Процессы уплотнения и деформации при ХП и ГШ порошковой заготовки оценивали значениями высотной деформации ε_h относительных плотностей θ_хп, θ_гш горячедеформированного порошкового материала
,
где h_гш – высота горячедеформированных заготовок.
Механические свойства ГДПМ определяли измерением твердости HV по Виккерсу (нагрузка F=98,07 H с выдержкой 10 с) и предела прочности  на срез τ_ср цилиндрических образцов.
Результаты исследований и их обсуждение. В процессе МХА шихты Al-Si в сухой среде (Т1) наблюдается налипание части порошковой шихты на шары и агломерация основной массы частиц шихты в крупный (30-50 мм) моноагломерат, за счет схватывания между частицами Al, наслаивания размягченного B₂O₃ на частицы, шаржирования мягких частиц Al твердыми частицами Si, плакирования твердых частиц Si мягкими частицами Al и протекания топохимических реакций, способствующих сращиванию на межчастичных поверхностях. Формирование моноагломерата затрудняет процессы формования при ХП и ГШ и требует дополнительного его дробления. Полученный результат соответствует ранее проведенным исследованиям механического легирования в сухой среде шихты Al-Si [8].
После дробления части порошковой шихты, налипшей на шары, и крупного моноагломерата механохимически активированная в сухой среде (Т₁) шихта Al-Si имеет бимодальное распределение по размерам (рис. 1) агломерированных частиц со средним размером 424 мкм (КАГ₀=7,7) (таблица 2). В процессе растирания пестиком в ступке агломерированных частиц шихты наблюдается увеличение содержания крупной фракции (> 400 мкм) за счет более мелких фракций, способствующее повышению среднего размера агломерированных частиц до 432 мкм (КАГ₁=7,85 и ПАГ=0,98), и сохраняется бимодальное распределение.

Размер частиц по фракциям, мкм
Рис. 1. – Распределение частиц по фракциям, составляющих шихту Al-Si (после активации после ступы): (а) Т2; (б) Т3; (в) Т1

Таблица № 2
Остаток шихты на сите (% мас.), средний размер частиц d₀,₁, КАГ_0,1 и значения ПАГ

Переход от механической обработки шихты Al-Si в сухой среде к обработке в жидких средах НВРБК и спирта устраняет налипание шихты на шары и приводит к повышению дисперсности агломератов, полученных в процессе МХА шихт Al-Si. Смещение динамического равновесия в сторону разрушения частиц и агломератов обусловлено эффектом адсорбционного понижения прочности (эффект Ребиндера) [14].
В результате обработки шихты Al-Si в жидкой среде НВРБК (Т2) достигается одномодальное распределение по размерам (рис. 1) агломерированных частиц со средним размером 90 мкм (КАГ₀=1,29), описываемое уравнением Розина-Рамлера
.
После растирания пестиком в ступке механохимически активированной шихты благодаря разрушению агломерированных частиц фракции 100-160 мкм, состоящих из дисперсных частиц фракции менее 63 мкм, достигается снижение среднего размера агломерированных частиц до 71 мкм (КАГ1=1,29; ПАГ=1,26) и сохраняется одномодальное распределение по размерам, описываемое уравнением
.

  В результате обработки шихты Al-Si в среде спирта (Т3) достигается одномодальное распределение по размерам (рис. 1) агломерированных частиц со средним размером со 73 мкм (КАГ₀=1,32), приведенное к виду, описываемому уравнением
.
В процессе растирания пестиком в ступке механохимически активированной шихты, за счет повышенной активности, частицы агломерируются преимущественно во фракции 63-100, повышается их средний размер до 85 мкм (КАГ₁=1,55; ПАГ=0,86) и сохраняется одномодальное распределение.
Результаты экспериментальных исследований процессов уплотнения при холодном прессовании и горячей штамповки заготовок, механических свойств ГДПМ Al-Si представлены в таблице 3. Переход от обработки шихты Al-Si в сухой к жидкой среде спирта (Т3) обеспечивает повышение значения относительной плотности холоднопрессованной формовки с 0,811 до 0,834. При использовании механохимически активированной в жидкой среде НВРБК шихты алюминий-кремний достигается минимальное значение относительной плотности формовки после холодного прессования 0,735.

Таблица № 3
Значения θ_хп, θ_гш, ε_h, τ_ср, и HV

В процессе ГШ формовок на основе механохимически активированных шихт в жидких средах спирта и НВРБК, по сравнению с ГШ формовок на основе шихт обработанных в сухой среде, обеспечивается повышение значений относительной плотности горячей штамповки с 0,932 до 0,971 и 1,000. Максимальное значение относительной плотности ГДПМ Al-Si на основе шихты, обработанной в среде НВРБК, обусловлено активацией процессов горячего доуплотнения (|ε_h|=0,592), связанной с пониженной сдвиговой вязкости слоя B₂O₃, плакирующего частицы Al и Si при температурах кратковременного нагрева 600 0С.
При использовании заготовок на основе механохимически активированных шихт в жидких средах (Т2 и Т3) процессе ГШ формировался материал с повышенными значениями предела прочности на срез τ_ср. и твердости HV. Сочетание наибольших значений предела прочности на срез и твердости HV ГДПМ достигается при горячей штамповке заготовок на основе шихты Al-Si, полученной МХА в среде НВРБК (Т2).
Выводы.
В результате проведенных исследований установлено, что в процессе механохимической активации шихты Al-Si формируются агломерированные частицы с бимодальным распределением по размерам при использовании сухой среды и одномодальным распределением по размерам при использовании жидких сред насыщенного водного раствора борной кислоты и спирта. Механохимическая активация в среде насыщенного водного раствора борной кислоты шихты Al-Si, характеризующейся разрушением агломератов на основе дисперсных частиц при растирании в ступке, обеспечивает пониженную относительную плотность (0,735) холодно прессованных формовок и активацию процессов уплотнения горячей штамповки (|ε_h|=0,592), способствующую получению горячедеформированного порошкового материала с повышенными физическими (θгш=1,000) и механическими свойствами (τ_ср=113 МПа и 189 HV).

Список литературы:

1. Гопиенко В.Г., Смагоринский М.Е., Григорьев А.А.Спеченные материалы из алюминиевых порошков. [Текст] // М.: Металлургия, 1993.— 317 с
2. Евсюкова М.А., Положенцев О.Е., Солдатов А.В. Формирование икосаэдрической фазы в квазикристалле системы Al-Cu-Fe [электронный ресурс] // Инженерный вестник Дона. – 2010. – № 4. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2010/246 доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
3. Дюжечкин М.К., Сергеенко С.Н. Технологии получения гильз и покрытий цилиндров ДВС (обзор). [Текст] // Новочеркасск, 2012. 78 с. Деп. в ВИНИТИ 15.10.2012 г., №403-В2012.
4. Hayashi T., Azetsu K. Development of Aluminum Powder Metallurgy Composites for Cylinder Liner [Text] // Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metal, 2001. Vol.5. – pp.426-431.
5. Пат. 2394928 Российская Федерация, МПК5 C22C1/04, C22C21/02. Способ получения порошкового композиционного материала [Текст] / Мироненко В.Н., Бутрим В.Н., Васенев В.В., Петрович С.Ю., Черепанов В.П.; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество "Композит" (ОАО "Композит"). - № 2009132797/02; заявл. 02.09.2009; опубл. 20.07.2010.
6. Кабиров Ю.В., Чупахина Т.И., Гавриляченко В.Г. Несегнетоэлектрическая керамика La2-xSrxNiO4 с колоссальной диэлектрической проницаемостью [электронный ресурс] // Инженерный вестник Дона, 2014, № 1. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2014/2219 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
7. Ермилов А.Г., Сафонов В.В., Дорошко Л.Ф., Колякин А.В., Полушин Н.И. Оценка доли запасенной при предварительной механической активации энергии с помощью рентгенографии [Текст] // Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия, 2002. – №3. – С. 48-53.
8. Malchere A., Gaffet E. Mechanosynthesis structural study of the ternary system Al-Si-C [Text] // J. de Physique. Sec. IY, 1994. Vol.4. – pp.251-256.
9. Дорофеев Ю.Г., Безбородов Е.Н., Сергеенко С.Н. Горячедеформированные порошковые материалы на основе механически легированных шихт Al-C [Текст] // Физика и химия обработки материалов, 2003. – №3. – С.64-72.
10. Федосеева М.А., Слабкий Д.В., Волхонский А.А., Сергеенко С.Н. Горячедеформированные материалы на основе механохимически активированной стружки алюминиевого сплава Д-16 [Текст] // Вестник Череповецкого государственного университета, 2012. – №3. – С. 20-25.
11. Котиева Л.У., Иевлева Н.М., Шляпин С.Д.. Технология получения композиционного материала системы Al-Al₂O₃-B₂O₃ [Текст] // Цветная металлургия, 1983. – №5. – С. 25-28.
12. Котиева Л.У., Галетова Н.Л, Павлова В.В. Введение в алюминиевый порошок упрочняющих фаз [Текст] // Цветная металлургия, 1986. – №4. – С. 35-37.
13. Дюжечкин М.К. Особенности формирования горячедеформированного материала на основе стружки алюминиевого сплава АЛ 30 [Текст] // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки, 2012. – №4. – С. 60-62.
14. Бутягин П.Ю. Механохимия глазами П.А. Ребиндера [Текст] // Успехи коллоидной химии и физико-химической механики. М.: Наука, 1992. - С. 174-184.