CC BY
58
240/
г: гшшгг гг:г
3 (57), 2010-
Positive influence of small additives of fullerene on structure formation of aluminium-copper graphite alloy is determined.
Н. А. СВНДУНОВНЧ, Д. В. КУИС, Г. П. ОКАТОВА, БГТУ, А. П. ЛАСКОВНЕВ, ФТИ НАН Беларуси
УДК 621.74
алюминий-медно-графитовый сплав,
полученный при микролегировании фуллереном с60
Актуальной проблемой современного материаловедения является поиск составов с использованием нанометриалов для разработки новых материалов, обладающих физическими свойствами, обеспечивающими потребности современной техники.
В настоящей работе исследовалось структуро-образование нанокомпозита на основе алюминий-медного сплава и углеродных наночастиц (фулле-ренсодержащей сажи). Работа выполнялась в направлении поиска возможности микролегирования фуллереном графита в алюминий-медь-графитовом материале путем использования фуллеренсодер-жащей сажи с целью повышения прочностных характеристик подшипников скольжения, не уступающих характеристикам изделий, изготовленных из наиболее стойких антифрикционных бронз.
Фуллерены - близкие родственники графита и в связи с этим наследуют его высокую термостойкость, неординарные электрофизические характеристики, а также широко известные для графита антифрикционные свойства.
Образцы А1-Си-фуллеренсодержащая сажа готовили по специальной литейно-деформационной технологии. Фуллеренсодержащую сажу с содержанием фуллерена С60 1 и 10% добавляли из расчета введения фуллеренов 0,02-1,1% с использо-
ванием эффекта «фуллереновой гомеопатии» [1]. Медь вводили в количествах 5,4 и 7,4%. Для получения образцов смешивали порошки А1, Си и фул-лереновой сажи в течение 4 ч в смесителях типа «пьяная бочка». Из полученной шихты были спрессованы цилиндрики высотой 24 мм и диаметром 36 мм, которые (брикеты) нагревали до температуры 550 °С, выдерживали 30 мин (чтобы прореагировали Си и А1) и прессовали выдавливанием на кривошипном прессе со скоростью осадки 500 мм/с на диаметр 14 мм. Всего было подготовлено семь образцов, два из которых с содержанием 1,07% фуллерена (образец 7) и 0,107% фуллерена (образец 4) были подробно исследованы.
Исследовали микроструктуру, определяли фазовый состав и текстурованность, по структурным составляющим замеряли микротвердость.
Исследованием были выявлены существенные различия в состоянии образцов 7 и 4.
Образец 7 (А1-5,37%Си + сажа + 1,07% фуллерена):
• рекристаллизован, зерна имеют обычную для рекристаллизованного состояния округлополиэ-дрическую форму (рис. 1, а);
• по границам зерен располагается эвтектика (рис. 1, б), в структурные составляющие эвтектики
Т а б л и ц а 1. Данные по изготовленным образцам Al-Cu-фуллеренсодержащая сажа
Содержани е фуллерена Содержание в шихте, %
Номер образца Вид образца в фуллереновой саже, % в навеске, г фуллерена С (сажа) Cu Al
i Al-Cu i 0,9 0,0i9 i,9 5,37 92,7i
2 Al-Cu i i,0 0,020 2,i 7,37 90,5i
3 Al-Cu i 4,0 0,084 8,42 7,37 84,i3
4 Al-Cu i 5,0 0,i07 i0,6 5,37 83,92
5 Al-Cu 10 i,0 0,2i5 2,i5 5,37 92,27
6 Al-Cu io 2,5 0,500 5,37 5,37 88,76
7 Al-Cu io 5,0 i,070 9,7 5,37 83,86
íi ггг^ г: ктг п 7ггг rr / од1
-3 (57), 2010 /
Рис. 1. Микроструктура образца 7 (продольное сечение): Al - 5,4% Cu + фуллереновая сажа - 9,7%, фуллерен - 1,07%
внедрились частицы сажи и фуллеренов, в структуре встречаются частицы меди;
• наличие эвтектики свидетельствует об оплавлении образца, что вполне объяснимо, так как концентрация Cu 5,37% близка к ее максимальной растворимости в системе Cu-Al, температура нагрева образцов перед выдавливанием в соответствии с диаграммой состояния Al-Cu равна температуре плавления эвтектики, плюс экзотермическая активность смеси Al-C;
• микротвердость внутри зерен -900 МПа, по границам зерен с эвтектикой -1500 МПа, по границам зерен с частицами сажи и фуллеренов от 1400 до 3000 МПа, имеются отдельные значения -2400 МПа;
• по результатам полуколичественного рентге-нофазового анализа получен следующий фазовый состав образца 4:
CuAl2 [25-0012] Tet 10,4-10,4 (10,3-10,3)%, AlCu [26-0016] Mon 5,3-5,3 (5,3-5,3)%,
Al2O3 [29-0063] Cub 0,9-0,9 (0,9-0,9)% -
оксид Al,
C60 [47-0787] Hex 2,4-2,4 (2,3-2,3)% -
фуллерит,
CuAlO2 [40-1037] Hex 0,8-0,8 (0,8-0,8)%, Graphite [25-0284] Hex 7,9-7,9 (7,8-7,8)%, Cu [04-0836] GCK 1,8-1,8 (1,8-1,8)%, Al [04-0787] Cub 66,1-66,1 (65,4-65,4)%.
В отличие от образца 4 образец 7 не содержит карбида Al4C3 (рис. 2).
Образец 4 (Al-5,4%Cu + сажа + 0,107% фулле-рена):
• не рекристаллизован, зерна вытянуты в направлении деформации (рис. 3, а);
• по границам и внутри зерен располагаются, часто широкими полосами, фазы тонкого зернистого строения светлые, серого и черного цвета, в структурные составляющие которых внедрились частицы сажи, фуллеренов и карбида алюминия Al4C3 (рис. 3, б, 5, а), частицы меди практически не встречаются;
Рис. 2. Микроструктура образца 7 (продольное сечение) с отпечатками микротвердости: а - Нт = 2680, 3560 МПа в эвтектике с частицами черной фазы; б - Нт = 1760, 2350 МПа в частицах с дисперсной структурой фазы серого цвета, Нт = 1004 МПа основы
242/
г: гшшгггта
3 (57), 2010-
Рис. 3. Микроструктура образца 4 (продольное сечение): Al - 5,4% Cu + фуллереновая сажа - 10,6%, фуллерен - 0,107%
Рис. 4. Рентгенограммы образца 4: а - съемка поперечного сечения; б - съемка продольного сечения с явными признаками
текстуры деформации
• рентгеновская съемка, проведенная в двух сечениях вдоль и поперек деформации, выявила тексту-рованность в продольном направлении (рис. 4, б);
• микротвердость внутри зерен ~1000 МПа, по границам зерен в зависимости от цвета частиц микротвердость изменяется в пределах 1500-22005250 МПа (рис. 5);
• фазовый состав в образце 4 (определяли на поперечном образце без выявления текстуры): Al2C6O12 [37-0488] - 6,5-6,5 (5,6-5,6)%, Al2O3 [37-1462] - 2,8-2,8 (2,7-2,7)%, Al2OC [36-0148] Hex 0,9-0,9 (0,8-0,8)%, Al4C3 [01-0953] Hex 2,1-2,1 (2,0-2,0)%, Al [04-0787] Cub 74,8-74,8 (73,8-73,8)%, Cu2O [05-0667] Cub 1,8-1,8 (1,8-1,8)%, CuAl2 [25-0012] Tet 1,4-1,4 (1,4-1,4)%,
Cu [04-0836] GCK 0,4-0,4 (0,4-0,4)%,
C60 [cF1924,1] Cub 1,0-1,0 (1,0-1,0)%, Graphite [25-0284] Hex 7,3-7,3 (7,1-7,1)%.
В результате изготовления и исследования на-нокомпозита на основе алюминий-медного сплава и углеродных наночастиц (фуллеренсодержащей сажи) установлено.
Выявлены существенные различия в состоянии образцов с разным количеством введенных фуллеренов при условии их изготовления в одинаковых условиях:
• в образце с содержанием 1,07% фуллеренов С60 в содержащей их саже в процессе изготовления прошла рекристаллизация и даже оплавление с образованием эвтектики, от обычного состояния этот образец отличается наличием в эвтектике внедренных
аггг^ г: ктпгл^тгггг /одо
-3 (57), 2010 / 44U
Рис. 5. Микроструктура образца 4 (продольное сечение) с отпечатками микротвердости: а - Нт = 2460 МПа, серые и черные частицы в светлой, тонкого строения фазе; б - Нт = 2550 МПа в широкой полосе фазы серого цвета с дисперсной структурой
частиц сажи и фуллеренов, а также частиц меди; микротвердость внутри зерен ~900 МПа, по границам зерен с эвтектикой ~1500 МПа, по границам зерен с частицами сажи и фуллеренов от 1400 до 3000 МПа;
• в образце с содержанием фуллеренов на порядок меньше - 0,107% не прошла рекристаллизация, зерна вытянуты в направлении деформации, вместо эвтектики по границам и внутри зерен располагаются частицы фазы тонкого зернистого строения с внедренными частицами сажи, фулле-ренов и карбида алюминия АЦС3, частицы меди практически не встречаются; микротвердость внутри зерен ~ 1000 МПа, по границам зерен в зависимости от цвета частиц микротвердость изменяется в пределах 1500-2200-5250 МПа;
• в образце с содержанием фуллеренов на порядок больше - 1,07% не произошло образование карбида алюминия АЦС3, который выявлен в образце с малой добавкой фуллеренов.
Выводы
Установлено положительное влияние малых добавок фуллерена на структурообразование алюминий-медного графитового сплава (повышается температура рекристаллизации, образуется карбид алюминия, повышается микротвердость структурных составляющих).
Установлена возможность получения алюми-ний-медно-углеродного сплава микролегированием фуллереном С60 путем использования фулле-ренсодержащей сажи.
Полученные результаты работы позволяют сделать вывод о возможности повысить темпе-ратуростойкость и прочностные характеристики деталей из композиционных алюминий-графитовых материалов для узлов трения со свойствами, аналогичными свойствам антифрикционных бронз.
Литература
1. O k a t o v a G. P., S v i d u n o v i c h N. A. Research by methods of a microscopy, microhardness and X-ray diffraction analysis of influence of the small components fullerene C60 on a degree of a crystalline and micro condition of polyethylene and polypropylene // Abstracts VII International Conference «Hydrogen Materials Science and Chemistry of Metal Hydrides», Alushta. Crimea, Ukraine. 2001. P. 540-543.
2. О к а т о в а Г. П., С в и д у н о в и ч Н. А. Изменение кристаллической структуры и свойств полимерных материалов при микролегировании фуллереном С60 // Российский химический журнал. Раздел «Новые направления использования углеродных материалов». 2006. Т. L. № 1. С. 68-70.
