Новости

Публикации

Публикации
Публикации
 
Влияние нанопорошковых тугоплавких материалов на качество литого металла


В настоящее время большое внимание уделяется применению ультрадисперсных порошков (УДП) химических соединений при получении новых материалов. Размер частиц УДП не превышает 100 нм, вследствие чего их часто называют нанопорошками (НП). Особенностью таких частиц является соизмеримость количества атомов, находящихся в поверхностном слое, количеству атомов, содержащихся в их объеме. В результате этого они обладают уникальными физико-химическими и механическими свойствами, существенно отличающимися от свойств материалов того же химического состава в массивном состоянии, которые могут в определенной степени влиять на качество получаемых из них или с их участием изделий.

 

Начиная с 1973 года в СО РАН проводятся исследования, в ходе которых был выполнен большой объем опытных и опытно-промышленных работ по применению НП для улучшения физических и механических свойств металлоизделий из черных и цветных металлов. Обобщение результатов этих исследований дано в монографиях [1, 2]. По результатам проведенных работ получено свыше 30 авторских свидетельств и патентов на изобретения, охватывающих широкий круг технологий, при реализации которых использовались различные составы НП (нитриды, карбиды, бориды, оксиды, карбонитриды и др.). большая часть работ проведена с целью измельчения структуры алюминиевых литейных сплавов (фасонное литье и жидкая штамповка), чугуна и деформируемых алюминиевых сплавов при литье слитков полунепрерывным способом, а также стали и никелевых сплавов. Кроме того, получены положительные результаты при сварке объемной конструкции из листов сплава АМг6 сварочными электродами, содержащими в объеме НП. При этом повысились механические свойства сварочного шва. Использование НП при электроискровом легировании обеспечило повышение твердости поверхности металлоизделий.

 

В данном сообщении представлены некоторые результаты применения НП тугоплавких соединений для повышения качества металлопродукции. Практически все работы в этом направлении проведены в реальных производственных условиях. В основном использовались НП, синтезированные плазмохимическим способом, а также полученные методом детонационного синтеза и механического дробления в центробежных мельницах.

 

1. Модифицирование алюминия и деформируемых алюминиевых сплавов при полунепрерывном литье слитков
Введение (раздельно) НП SiC, B4C, BN, LaB6, TaN, TixCyNz, TiCNO, TiN, TiO2, VxCyNz, смеси AlN + BN, смеси HfN + HfB2 в алюминиевые деформируемые сплавы при литье слитков полунепрерывным способом диаметрами 60 мм из сплава Д16 и 300, 420 и 500 мм из сплава АМг6, 480 мм из сплава Д1 приводит к измельчению зерна в 2-5 раз и к росту механических свойств, отпрессованных из них профилей различного сечения: временного сопротивления в на 3-10%; предела текучести 0,2 на 2-16%; относительного удлинения на 12-31%.


 

2. Модифицирование алюминиевых литейных сплавов
В результате введения в алюминиевые литейные сплавы при литье фасонных отливок НП В4С, SiC, TiCN, TaN, смеси В4С+BN измельчается макро- и микроструктура сплавов АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛ11, АК7 и др., что приводит к увеличению в отливок на 3-19% и в 1,5-7,3 раза.
Введение НП B4C в сплавы АЛ9 и АЛ19 при получении из них деталей жидкой штамповкой позволяет повысить соответственно на 50% и 19% при сохранении уровня в. Применение НП AlN для модифицирования сплава АК7ч позволило увеличить в литого металла на 26,2% при сохранении значения .

 

3. Модифицирование меди
В настоящее время на Опытном заводе цветного литья (г. Новосибирск) ведутся опытно-промышленные работы по получению медных наконечников для фурм кислородных конвертеров методом литья с кристаллизацией под давлением и применением НП в качестве модифицирующих добавок. На рис. 1а представлена макроструктура образца наконечника фурмы, полученного гравитационной заливкой металла в песчаную, предварительно нагретую до 300 С форму. Жидкий металл перед заливкой имел температуру 1280 C, был раскислен Li и рафинирован продувкой аргоном.

рис1
Рис. 1а Рис. 1б

Рис. 1б иллюстрирует такой же образец отливки, но модифицированный после раскисления и продувки аргоном ультрадисперсным порошком, плакированный цирконием (50% SiC+50% Zr) в количестве 0,05% SiC по массе. Температура металла при заливке равнялась 1220 С. Расплав кристаллизавался при атмосферном давлении. Измерялась твердость полученных образцов по Бринеллю (HB) в двух точках по их сечениям - на периферии и в центральной области. Для немодифицированного образца ее значение в центре равно 69,1, а на периферии - 55,1 ед. НВ. У модифицированного соответственно 55,1 и 56,8, откуда следует, что модифицированная отливка отличается более однородной твердостью по ее сечению. Кроме того, как видно из фотографий шлифов, модифицированный образец характеризуется более мелкой кристаллической структурой. Испытания керосином на герметичность отливок показали, что немодифицированная отливка проницаема, т.е. имеет связанную пористость, в то время как у модифицированной подобный эффект не наблюдался.

 

На рис. 2 представлены фотографии шлифов отливок наконечников фурм, полученных гравитационной заливкой расплава меди в песчаные формы с последующей кристаллизацией под газовым давлением, т. е. при наложении избыточного газового давления. Перед заливкой расплав также раскислялся цирконием (0,2% по массе). После раскисления он рафинировался продувкой аргоном, после чего непосредственно в печи в расплав вводился УДП (50% SiC+50% Fe) в количестве 0,05% SiC по массе. Видно, что структура образцов равноосная, что указывает на объемный характер кристаллизации, однако дисперсность структуры у образцов различная и зависит от времени гомогенизации расплава-с увеличением его она возрастает.

рис2
Рис. 2а Рис. 2б Рис. 2в

При этом плотность у образца рис. 2а равна 8,914 103 кг/м3, рис. 2б - 8,884 103 кг/м3, рис. 2в - 8,943 103 кг/м3. Такое несоответствие плотности характеру дисперсности структуры, вероятно, связано с нестабильностью воздействия газового давления, например, запаздыванием его действия при затвердевании металла. Следует заметить, что у отливки рис. 2а были обнаружены трещины. Отливки рис. 2б и рис. 2в подобного дефекта не имели и выдержали испытание керосином на герметичность

 

4. Модифицирование серого чугуна
Введение НП BN в жидкий металл уменьшает глубину отбела серого чугуна СЧ15 (по стандартной клиновой пробе) с 18 мм (при обычной подготовке рас плава к литью) до 1 мм и приводит к измельчению в 1,6 раза эвтектического зерна (с 38 до 61 зерен на площади шлифа в 1 см2), что очевидно и послужило причиной роста в на 19,5% (с 174 до 208 МПа). Модифицирование чугуна СЧ-18 привело к изменению морфологии графитовых включений. Вместо пластинчатой, характерной для серого чугуна, они приобрели компактную (хлопьевидную) форму (рис. 3). Соответственно повысились его механические характеристики: прочность на разрыв в увеличилась на 32%, относительное удлинение на 40%.

рис3
а) б)

Рис. 3. Макроструктура отливок из чугуна , отлитых: а - без добавок; б - с добавками НП карбида кремния.

 

5. Модифицирование износостойкого высокохромистого чугуна ИСЦ
При модифицировании чугуна ИСЦ (3,0% С; 20,1% Cr; 1,0% Si; 0,75% Mn) стандартным модификатором МС (смесь окислов TiO2, ZrO2, Nb2O5 ) твердость по Роквеллу HRC в литом состоянии при литье в песчаные формы по сравнению с немодифицированным состоянием возрастает с 33,5 до 56,6 ед. (на 68,8 %), а НП Al2O3 до 62,5 ед. (на 86,6 %). Износ при этом снижется соответственно на 22 и на 31,6%. В закаленном состоянии МС увеличивает твердость чугуна по сравнению с незакаленным модифицированным чугуном до 61,5 ед., а НП Al2O3 до 67,5 ед. (больше на 9,8%). При этом износ уменьшается в еще большей степени соответственно на 56,3 и 83,5%. Наибольшую износостойкость обеспечивает модифицирование НП Al2O3 с последующей термообработкой в виде отжига и закалки. При этом, хотя твердость возрастает и незначительно (до 68,0 ед.), но износ уменьшается ощутимо: относительно литого немодифицированного состояния в 2,74 раза, литого модифицированного в 2 раза, и модифицированного НП Al2O3 с последующей закалкой в 1,5 раза.


 

6. Модифицирование специального износостойкого чугуна СЧЦ-1С
НП Al2O3 применили для повышения качества отливок из чугуна СЧЦ-1С (2,5-3,2% C; 1,6-1,9% Si; 0,7-1,0% Mn; 0,35-0,50% Cr; 0,53-0,9 % Ni; до 0,006%S; до 0,16-0,20% P; до 0,4 % Сu) диаметром 80 мм, высотой 420 мм, отливаемых вертикально по 10 штук одновременно в одной форме, изготовленной по СО2-процессу. На получаемых по стандартному технологическому процессу отливках после отрезки прибылей по их центральной части зачастую наблюдалась осевая пористость. Кроме того, при механической обработке отливок при получении из них шнеков на обработанных поверхностях наблюдалось выкрошивание графитовых включений, что является неисправляемым дефектом. Чугун готовили в индукционной печи с последующим переливом расплава в заливочный ковш, на дно которого предварительно укладывали помещенный в латунную фольгу НП Al2O3 из расчета его содержания в отливках до 0,09%. После заливки форм и соответствующей обработки отливок на поверхности отрезания прибылей осевая пористость не обнаруживается, что свидетельствует об улучшении питания отливок. Испытания механических свойств на отдельно отлитых образцах-свидетелях показали, что в результате модифицирования НП Al2O3 значения в находятся в пределах 225-280 МПа, тогда как для обычно приготовленного чугуна в=203-229 МПа при требованиях по приемной документации в должно лежать в пределах 197-241 МПа. Таким образом, модифицирование НП Al2O3 в среднем повышает в по сравнению с требованиями на 13,5%, а по сравнению с цеховой технологией на 14,4%.


 

7. Модифицирование средне- и низколегированных сталей
Обработка углеродистых сталей добавками УДП карбонитрида титана существенно изменяет перлитоферритную структуру отливок и улучшает их механические свойства. Определение твердости литых образцов диаметром 20 мм, отлитых в кокиль (нагретый до 200 С), в керамическую форму (нагретую до 700 С) и в сухую разовую форму, показало значительное различие в темпе прироста твердости стали при увеличении содержания углерода. У стали с добавками НП наблюдаются более высокие показатели твердости при увеличении углерода до 0,25% и уменьшение влияния углерода на этот показатель при дальнейшем повышении его содержания. Данное явление можно объяснить диффузией углерода к поверхности частиц НП и образованием мелких карбидов, упрочняющих ферритную матрицу в интервале низких концентраций углерода. При увеличении содержания углерода свыше 0,25% происходит выделение перлита, обедненного по содержанию углерода за счет перераспределения между зернами перлита и мелкими включениями первичных и вторичных глобулярных частиц карбидов, равномерно распределенных в зернах перлита. В углеродистых сталях с содержанием углерода свыше 0,4% наблюдается грубая перлитная структура и видманштетова структура феррита.

 

В структуре отливок из такой стали с добавками НП отмечаются равномерно распределенные включения зернистого перлита, содержащие мелкие глобули первичного цементита. Микротвердость такого перлита увеличивается по сравнению с этим показателем у стали без добавок.

 

Введение частиц НП в углеродистые стали вызывает изменение объемной равновесной концентрации серы, кислорода и марганца. Анализ микроструктуры отливок показал, что неметаллические включения в сталях с добавкой НП и содержанием углерода до 0,5% имеют глобулярную форму и более равномерно распределены по всему полю шлифа, а их средний размер снижается на 25 30%.

 

Таким образом, было установлено, что добавка НП в жидкий металл перераспределяет вредные примеси в сталях между границами и объемом зерен, концентрируя их на частицах суспензии, которые выделяются при затвердевании в межосных промежутках дендритов в виде включений компактной формы. При этом количество включений, расположенных внутри зерен и наблюдаемых в микроскоп, увеличивается на 15 35%, а прочность, предел текучести и пластичность металла существенно возрастают. В структуре литой стали 08ЮЛ наблюдается выделение перлита в виде тонкой сетки по границам зерен. После обработки стали добавкой НП перлит выделяется в виде мелких разобщенных включений, а размеры зерен феррита уменьшаются в 4 6 раз. Результаты испытания образцов, полученных после проката литых заготовок, на деформируемость по Эриксону показали, что добавка НП повышает этот показатель на 20 25%.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Суздалев И.П. Нанокластеры и нанокластерные системы // Вестник РФФИ. 1999. № 1. С. 24-31.
2. Francis D. Catching up to Nanotechnology // Mechanical Engineering. 2000. № 7. Р. 34.
3. Мюллер Б. Технология, открывающая новую эпоху: нанотехника покоряет микрокосмос // Deutschland. 1999. № 3. С. 49-51.
4. Плазмохимический синтез ультрадисперсных порошков и их применение для модифицирования металлов и сплавов / В.П. Сабуров, А.Н. Черепанов, М.Ф. Жуков и др. Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1995. 344 с. (Низкотемпературная плазма, т. 12).
5. Упрочнение металлических, полимерных и эластомерных материалов ультрадисперсными порошками плазмохимического синтеза / М.Ф. Жуков, И.Н. Черский, А.Н. Черепанов и др. Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1999. 312 с. (Низкотемпературная плазма, т. 14).



Все статьи
Каталог оборудования | О предприятии | Технологические возможности | Контакты Россия, Новосибирск, ул. Большевистская, 125
тел./факс: +7 (383) 304-94-11, +7 968 220-10-79
Rambler's Top100