CC BY
58
УДК 621.762 Федосеева М.А.
ПРОЧНОСТЬ И ТВЕРДОСТЬ МАТЕРИАЛА АЬ-ЕЕТ1 НА ОСНОВЕ МЕХАНОХНМИЧЕСКН АКТИВИРОВАННОГО СТРУЖКОВОГО ПОРОШКА Д-16
Аннотация. Исследовано влияние времени размола (5,8-15,8 кс) и скорости вращения ротора мельницы (290-360 мин"1) на механические свойства порошкового материала на основе активированного стружкового порошка. Определены оптимальные значения технологических параметров механохимической активации, обеспечивающих повышенные механические свойства горячедеформированного порошкового материала ЛЬБеТг
Ключевые слова: прочность, твердость, стружка Д-16, механическая активация.
Введение. В настоящее время широкое применение в автомобилестроении получили сплавы на основе алюминия, которые характеризующиеся низкой плотностью, повышенной удельной прочностью, теплопроводностью. Методы порошковой металлургии позволяют получать детали с заданными функциональными свойствами и являются энерго- и ресурсосберегающими. С целью снижения затрат на основные материалы и повышение механических свойств горячедеформированных порошковых материалов (ГДПМ) в ЮРГПУ (НПИ) предложены технологии, основанные на использовании механохимически активированного (МХА) стружкового порошка Д-16 [1]. Прочность и твердость материала на основе активированного стружкового порошка определяется технологическими параметрами обработки в высокоэнергетической мельнице [1, 2].
Введение титана повышает прочность и равномерность распределения свойств по объему алюминиевого сплава за счет измельчение зерна [3]. Образовавшаяся дисперсная фаза Al3Ti (5% масс. Ti) сдерживает рост зерен в процессе уплотнения материала Al-Ti [4, 5]. Порошковые материалы на основе алюминия, механически легированные титаном, c повышенными механическими свойствами характеризуются мелкодисперсной структурой [6,7]. Упрочнение алюминиевой матрицы может быть обеспеченно за счет дисперсной фазы Al3Fe в перспективных эвтектических сплавах Al-Fe [8].
Цель работы. Установление закономерностей влияния технологических параметров МХА на механические свойства ГДПМ Al-FeTi.
Методики проведения исследований. В качестве исходных материалов использовали стружку алюминиевого сплава Д-16 (толщина 0,5-1,0 мм; ширина 1-5 мм), полученную в процессе токарной обработки. При исследовании влияния технологических параметров размола на гранулометрический состав измельченной стружки в шихту вводили фер-ротитан ФТи35С7 (ГОСТ 4761-91). Механохимиче-ское активирование проводили в среде насыщенного водного раствора борной кислоты (НВРБК) для защиты от окисления материала стружки Д-16, интенсификации измельчения, формования без налипания [1, 9]. На основе предварительных экспериментов
определено оптимальное содержание ферротитана 6% масс. и содержание (НВРБК) 30% масс. от массы шихты, обеспечивающие повышенную интенсивность измельчения.
План проведения эксперимента строили на основе ротатабельного плана второго порядка (табл. 1) [10]. МХА стружки проводили в высокоэнергетической мельнице «САНД-1» при соотношении масс шаров (¿шаров=10 мм) и шихты Мшаров:шшихты = 10:1. В качестве исследуемых технологических параметров выбраны время размола (тр=5,8...15,8 кс) и скорость вращения ротора мельницы (Ур=290...360 мин-1). Гранулометрический анализ (ГОСТ 18318-94) МХА шихты проводился до и после ручной обработки (0,9 кс) в ступе с последующим выделением фракции -630 мкм и смешиванием части активированной стружки Д16 с порошком алюминия (ПА-4, ГОСТ 6058-73) в соотношении 1:1.
Таблица 1
План проведения эксперимента
Номер образца Время размола тР, кс Скорость размола VPr мин-1
Кодированное значение Натуральное значение Кодированное значение Натуральное значение
101 - 7,2 - 300
102 + 350
103 + 14,4 - 300
104 + 350
105 0 10,8 -1,414 290
106 +1414 360
107 -1,414 5,8 0 325
108 +1,414 15,8
109-113 0 10,8
114 - 300
Для оценки степени агломерации порошковой шихты при ее механической активации определяли показатель ПАГ с учетом среднего размера частиц после МХА (ё0) и последующей обработки в ступе (^):
пАг=ас/а1.
Порошковую формовку прессовали (455 МПа) на
Прочность и твердость материала Al-FeTiна основе ... стружкового порошка Д-16
Федосеева М.А.
гидравлическом прессе. Предварительный нагрев (550°С, 0,3 кс) проводили в электрической печи в воздушной атмосфере, с последующим динамическим горячим прессованием с приведенной работой уплотнения (ю) 140 МДж/м3 на копре с массой падающих частей 50 кг.
Механические свойства горячеде-формированных порошковых материалов (ГДПМ) определяли при испытаниях на срез х и изгиб а (ГОСТ 18228-94)
L Ср U v '
на призматических образцах 40x10x5 мм, полученных методом свободной ковки нагретой пористой заготовки, упакованной в фольгу. Исследование предела прочности на срез проводили в специальном устройстве на разрывной машине типа Р-20, используя цилиндрические образцы (drin=13,7 мм), с проточенным шипом (dm = 5 мм). Твердость образцов замерялась на твердомере 5006 УХЛ42 по шкале HRE (диаметр инден-тора 3,175 мм, нагрузка 980,7 Н).
Термографический анализ проводили на дерива-тографе Diamond TG/DTA (ДТА) в динамическом режиме в интервале температур 30-650°С. Качественный фазовый состав определяли на порошковом ди-фрактометре ARL X'TRA.
Формирование ГДПМ на основе МХА стружкового порошка не обеспечивает стабильного бездефектного формования и изготовления образцов для механических испытаний.
Результаты и обсуждение экспериментальных исследований. Анализ исследований показал, что введение порошка алюминия в состояние поставки, в шихту на основе стружкового МХА порошка Д-16, обеспечивает стабильное получение образцов без их разрушения. Стружко-вый порошок, полученный при скорости размола 325 мин" 1 и времени 5,8 кс, обеспечивает повышенные значения предела прочности ГДПМ на срез тф=249 МПа при прочности на изгиб оизг=179 МПа и твердости материала верхнего 101 и нижнего 102 HRE торцов образца (табл. 2). При этом порошковая шихта состоит из трудноразрушимых агломератов (ПАГ=1,08) и характеризуется средними размерами частиц до и после ручной обработки равными 58 и 54 мкм.
Таблица 2
Результаты экспериментальных исследований
Номер образца Тр, КС VP, мин-1 d0, мкм d1, мкм ПАГ ©ГШ HRE Тер, МПа
верх НИЗ
101 7,2 300 81 195 0,41 0,990 104 105 224
102 350 62 155 0,40 0,958 100 102 204
103 14,4 300 47 50 0,93 0,993 100 100 192
104 350 53 48 1,12 0,978 96 96 171
105 10,8 290 49 66 0,74 0,984 101 102 184
106 360 90 148 0,60 0,966 102 102 200
107 5,8 325 58 54 1,08 0,968 101 102 249
108 15,8 54 73 0,74 0,990 105 101 155
109-113 10,8 55±5 67±29 0,82±0,30 0,984±0,008 100±4 99±4 202±12
114 300 56 96 0,58 0,998 103 105 208
Анализ дериватограммы порошковой шихты (рис. 1), полученной при оптимальных условиях размола (тр=5,8 кс и Ур=325 мин"1), показал, что процесс разложения продукта сорбции протекает в несколько стадий:
а) удаление воды (температурный интервал 40-260°С);
б) экзоэффект при 500-630°С;
в) экзоэффект при 630°С - процесс не завершен.
При взаимодействии алюминия с титаном протекает экзотермическая реакция с выделением тепла:
3А1+Т1^А13Т1+АН
Снижение массы материала происходит за счет разложения борной кислоты
2Н3Б03^Б203+3Н20 и обезвоживания шихты.
Е
I'0
DTA
_ TG
зад ко Teroersiure ['-i
Рис. 1. Дериватограмма активированного стружкового порошка (УР=325 мин-1, тР=5,8 йТД - изменение энтальпии; ТС - изменение массы
КС)
На основе результатов фазового анализа (рис. 2) показано, что в процессе МХА стружки Д-16 возможно формирование интерметаллидных фаз А13Т1 и Ге2Т1, обеспечивающих получение ГДПМ с повышенными свойствами.
Рис. 2. Рентгенограмма активированного стружкового порошка
(VP=325 мин-1, тР=5,8 кс)
Выводы
Разработана технология получения ГДПМ с повышенными значениями прочности и твердости при утилизации стружковых отходов. Изучено влияние времени и скорости на свойства порошкового материала на основе активированного стружкового порошка. Определены оптимальные значения технологических параметров МХА (Ур=325 мин-1, тр=5,8 кс) при соотношении масс шаров и шихты Мшаров:шшиххы=10:1, содержание ГеТ1 6% масс. и НВРБК 30% масс. В результате ДТА исследований выявлен экзотермический эффект (1;=500-630°С) с формированием интерметал-лидов А13Т1 и Бе2Т1.
Технология включает в себя МХА стружки Д-16 (Ур=325 мин-1, тр=5,8 кс), смешивание активированного стружкового порошка с порошком ПА в состоянии поставки (Ур=150 мин-1, тр=1,2 кс), формование заготовок путем холодного формования (455 МПа) с последующим нагревом (550°С, 0,3 кс) и динамическим
3.
4.
10.
горячим прессованием (ю=140 МДж/м ).
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ в рамках государственного задания на проведение НИОКР, шифр заявки №7.3767.2011.
Список литературы
1. Дорофеев Ю.Г., Безбородое Е.Н., Сергеенко С.Н. Особенности формирования компактиро-ванного материала из механически активированной стружки алюминиевого сплава Д16 // Металловедение и термическая обработка металлов. 2003. №2. С. 31-33.
2. Дорофеев Ю.Г., Сергеенко С.Н., Гриценко С. В. // Теория и технология производства порошковых
материалов и изделий: науч. тр. Новочеркасск: НГТУ, 1993. С. 24-28. http://www.stroyexpo.com/content/view/256/62/ Алюминий. Металловеденье, обработка и применение алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1972. 180 с.
Voon Kyoung II., Lee Kyung Sub. J. Особенности деформации сжатием нанокристаллических сплава AL-5aT.% Ti, полученных методом реакционного шарового размола в водороде и горячего прессования под сверхвысоким давлением. Compressive deformation behavior of nanocrystalline AL-5 at.% Ti alloys prepared by reactive ball milling in H2 and ultra high-pressing // Alloys and Compounds. 2002. 333, №1-2. C. 249-259.
Cuevas F.G., Cintas J., Montes J.M., Gallardo J.M. Порошок AL-Ti, полученный механическим легирование в течение различного времени. Al-Ti powder produced through mechanical alloying for different tames // Докл. 2 International Electrophoretic Deposition: Fundamentals and Applications, Barga, June, 2005. J. Mater/ Sci/ 2006. 41, №24, pp. 8339-8346. http://www.titandioxide.ru/titan_s/sc3/0219.php. Спеченные материалы из алюминиевых порошков / Гопиенко В.Г., СмагоринскийМ.Е., ГригорьевА.А., БеллавинА.Д. М.: Металлургия, 1993. 177 с.
Дорофеев Ю.Г., Безбородое Е.Н., Сергеенко С.Н. Кинетика механо-химической активации стружки алюминиевого сплава Д-16, особенности уплотнения «стружкового» порошка и формирования полученного материала // Изв. вузов. Цветная металлургия. 2003. №5. С. 54-58. Спиридонов А.А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. М.: Машиностроение, 1981. 184 с.
Сведения об авторе
Федосеева Мария Александровна - аспирант Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) им. М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел.: (950)8547555. E-mail: [email protected].
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
STRENGTH AND HARDNESS OF THE AL-FETI MATERIAL ON THE BASIS OF MECHANOCHEMICALLY ACTIVATED CHIP POWDER D-16
Fedoseyeva Mariy Aleksandrovna - Postgraduate Student, Platov South Russian State Polytechnic University (Novocherkassk Polytechnic Institute), Novocherkassk, Russia. Phone: (950)8547555. E-mail: [email protected].
Abstract. The effect of grinding time (5,8-15,8 kc) and a rotor mill speed (290-360 min-1) on the mechanical properties of the powder material on the basis of activated chip powder was investigated. The optimal values of mechanochemical activation process parameters that provide improved mechanical properties of hot-powder material Al-FeTi have been identified.
Keywords: strength, hardness, D-16 chips, mechanical activation.
References
1. Dorofeyev J.G., Bezborodov E. N., Sergeenko S. N. Features of the formation of the compacted material from mechanically activated aluminum
chips D16. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metalbv [Metallurgy and heat treatment of metals]. 2003, no. 2, pp. 31-33.
2. Dorofeyev Y.G., Sergeenko S.N., Gritsenko, S.V. Teoriya i tehnologiya proizvodstva poroshkovyih materialov i izdeliy: nauch. tr. [Theory and technology of powder materials and products: Scientific. tr.]. Novocherkassk: NSTU, 1993, pp. 24-28.
3. http://www.stroyexpo.com/content/view/256/62/
4. Alyuminiy. Metallovedene, obrabotka i primenenie alyuminievyih splavov [Aluminium. Physical metallurgy, processing and use of aluminum alloys]. Moscow: Metallurgy, 1972. 180 p.
5. Voon Kyoung Il., Lee Kyung Sub. J. Compressive deformation behavior of nanocrystalline Al-5 at. % Ti alloys prepared by reactive ball milling in H2 and ultra high-pressing. Alloys and Compounds. 2002. 333, no. 1-2, pp. 249-259.
Прочность и твердость материала Al-FeTi на основе ... стружкового порошка Д-16
Федосеева М.А.
6. Cuevas F.G., Cintas J., Montes J.M., Gallardo J.M. Al-Ti powder produced through mechanical alloying for different times. Report 2 International Electrophoretic Deposition: Fundamentals and Applications, Barga, June, 2005. J. Mater/ Sci/ 2006. 41, no. 24, pp. 8339-8346.
7. http://www.titandioxide.ru/titan_s/sc3/02l9.php
8. Gopienko V.G., Smagorinskiy M.E., Grigoriev A.A., Bellavin A.D. Spechennyie materialyi iz alyuminievyih poroshkov. Metallurgiya [Sintered materials of aluminum powder]. Moscow: Metallurgy, 1993, 177 p.
9. Dorofeyev J.G., Bezborodov E.N., Sergeenko S.N. The kinetics of mecha-no-dynamic activation chip aluminum alloy D-16, features of seals "chip" powder and the formation of the received material. Izv. vuzov. Tsvetnaya metallurgiya [Proceedings of Higher Education. Non-ferrous metallurgy]. 2003, no. 5, pp. 54-58.
10. Spiridonov A.A. Planirovanie ekspetimenta pri issledovanii tehnolog-icheskih protsessov [Experiment planning in the study of technological processes]. Moscow: Mechanical engineering, 1981, 184 p.
