Технические науки/3.Отраслевое машиностроение.

Д.т.н. Ковтунов А.И., инженер Плахотный Д.И., лаборант Кирдяпкин А.В.

Тольяттинский государственный университет, Россия

Влияние меди на жидкофазные процессы формирования биметаллов и слоистых композиционных материалов никель-алюминий

Биметаллические и слоистые композиционные материалы (СКМ) системы никель-алюминий находят все более широкое применение в промышленности. Наиболее распространенными технологиями производства таких материалов является сварка взрывом и совместная прокатка никеля и алюминия [1]. Однако высокая трудоемкость этих процессов и ограниченная номенклатура получаемых изделий сдерживают рост производства биметаллов и слоистых композиционных материалов системы никель-алюминий.

Жидкофазные способы отличаются от указанных высокой производительностью и широкой номенклатурой получаемых изделий. Недостатком жидкофазных способов является формирование переходной интерметаллидной области между алюминием и никелем, которая значительно снижает механические свойства материала [1].

Одним из способов повышения механических свойств биметаллов и СКМ, полученных жидкофазными способами, является легирование переходной интерметаллидной области [2].В качестве легирующих элементов рекомендуется применять металлы, замещающие один из компонентов интерметаллидной фазы или оба сразу [2]. Для алюминидов никеля, исходя из указанных рекомендаций, может в качестве легирующего компонента успешно применяться медь, замещающая в интерметаллидах системы никель-алюминий никель[2].

Исследование влияние меди на жидкофазные процессы формирования биметаллов и СКМ системы алюминий-никель и их свойства проводили при содержании меди в алюминиевом расплаве до 33%. Плавку алюминия Аl 99,9% и легирование расплава медью М1 проводили в графитовых тиглях в печах сопротивления.

Влияние меди на силу и скорость смачивания определяли при помощи специальной экспериментальной установки на никелевых образцах марки Н2 размером 50х25х2 мм[3]. Образцы предварительно зачищали, обезжиривали в 20% растворе едкого натрия, а затем покрывали водным раствором флюса и просушивались до полного испарения влаги из флюсового покрытия. В качестве активатора никелевой поверхности использовался флюс на основе эвтектической системы KF-AlF₃ [3,4]. После сушки образцы погружали в алюминиевый расплав. Температуру расплава изменяли в диапазоне 750-850◦С. Время выдержки составляло 3-5 сек.

Исследование прочности сцепления слоев никеля и алюминия проводились на нахлесточных образцах размерами 150х10х2 мм с величиной нахлестки 10 мм и зазором между никелевыми пластинами 0,125 мм. Никелевые пластины предварительно готовили по описанной технологии, собирали с зазором и окунали в алюминиевый расплав с температурой 700-950^оС. Испытания проводили на разрывной машине Н50КТ.

Химический анализ алюминиевого и переходного слоя проводили в условиях ОАО «АВТОВАЗ» на комплексе сканирующего электронного микроскопа LEO 1455 VP (ZEISS, Германия) с блоками рентгеновского энергетического спектрометра INCAEnergy-300.

Проведенные исследования показали, что медь не значительно изменяет силу смачивания никеля алюминиевым расплавом. При содержании меди 4-6% наблюдается повышение силы смачивания на всем температурном интервале исследований. При более низком и более высоком содержании меди сила смачивания уменьшается (рис.1).

Рисунок 1 - Зависимость силы смачивания никеля алюминием от процентного содержания меди в расплаве: 1) 99,9 % Al; 2) Al+ 2% Cu; 3)Al+4% Cu; 4)Al + 6% Cu;5)Al+10% Cu; 6)Al + 33% Cu.

Прочность сцепления алюминиевого и никелевого слоя с повышением температуры формирования понижается (рис.2), что обусловлено увеличением толщины интерметаллидной области. Легирование алюминиевого расплава медью снижает прочность сцепления алюминиевых и никелевых слоев (рис3).

Рисунок 2 - Зависимость прочности сцепления алюминиевого и никелевого слоя от температуры расплава 1) 99,9 % Al; 2) Al+2% Cu; 3)Al+6% Cu; 4)Al + 33% Cu.

Рисунок 3 -Зависимость прочности сцепления алюминиевого и никелевого слоя от содержания меди в расплаве 1) 700 ºС; 2) 750 ºС; 3)800 ºС; 4) 850 ºС

Особенно интенсивно снижается прочность сцепления при легировании медью до 6%, дальнейшее повышение содержания меди в алюминиевом расплаве практически не оказывает заметного влияния на прочность сцепления слоев композита.

Металлографический и микрорентгеноспектральный анализ показали, что алюминиевый слой в процессе формирования насыщается никелем и представляет собой эвтектику α - твердого раствор на основе алюминия и интерметаллидной фазы Al₃Ni. Переходная область состоит из двух последовательно расположенных интерметаллидных слоев на основе фаз Al₃Ni иAl₃Ni₂ (рис.4а). Толщина слоя интерметаллидной фазы Al₃Ni₂, прилегающего к никелю, составляет 1,5-2,5мкм, а толщина слоя Al₃Ni – 1,5-5мкм.

Легирование алюминиевого расплава медью даже в небольших количествах (до 2%) повышает объем интерметаллидных фаз в алюминиевом слое (рис. 4б). Кроме эвтектики (α + Al₃Ni) в структуре наблюдается первичная фаза Al₃Ni. Толщина слоев переходной области увеличивается в 1,5-2 раза, что вероятно и является причиной значительного снижения прочности сцепления слоев композиционного материала при легировании медью. Разрушение образцов, как показали исследования, происходит по границе двух интерметаллидных слоев (рис.4г).

При повышении содержания меди до 6% толщина переходной области незначительно увеличивается, что приводит к дальнейшему снижению прочности сцепления слоев.

Дальнейшее повышения содержания меди до 33% не приводит к заметному увеличению толщины переходной области (рис. 4в, рис.4г). Структура алюминиевого слоя представлена α – твердым раствором меди и никеля в алюминии и T-фазой. В переходной области наблюдается легирование медью интерметаллидных слоев. Медь замещает никель в фазе Al₃Ni до 6,5%, а в фазе Al₃Ni₂ до 4,5%.

а)

б)

в)

г)

Рисунок 4. Микроструктура алюминиевого слоя и переходной области:

а) при окунании никелевых образцов в расплав А7 при температуре 750^оС;

б) при окунании никелевых образцов в расплав Аl+2%Cu при температуре 750^оС;

в) при окунании никелевых образцов в расплав Аl+10%Cu при температуре 750^оС;

г)при окунании никелевых образцов в расплав Аl+33%Cu при температуре 750^оС.

Выводы:

1. Медь не значительно изменяет силу смачивания никеля алюминиевым расплавом. При содержании меди 4-6% наблюдается повышение силы смачивания. При более низком и более высоком содержании меди сила смачивания уменьшается.

2. Прочности сцепления никелевого и алюминиевого слоя снижается с увеличением температуры, что связано с увеличением толщины переходной интерметаллидной области.

3. Легирование медью алюминиевого расплава при жидкофазном формировании биметаллов и СКМ никель-алюминий снижает прочность сцепления слоев композита вследствие значительного увеличения толщины переходной интерметаллидной области.

Литература:

1. Рябов, В.Р. Применение биметаллических и армированных сталеалюминиевых соединений/В.Р.Рябов- М.: «Металлургия», 1975.287 с.

2. Колачев, Б.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов / Б.А. Колачев, В.И. Елагин, В.А. Ливанов. – М. : МИСИС, 1999. – 416 с.

3. Ковтунов А.И, Мямин С.В., Чермашенцева Т.В. Исследование процессов смачивания стали алюминием при производстве слоистых композитов/ А.И.Ковтунов, С.В. Мямин, Т.В. Чермашенцева// Сварочное производство. №3, 2011. С.8-11.

4. Ковтунов А.И, Чермашенцева Т.В., Мямин С.В. Исследование процессов жидкофазного формирования покрытий на основе алюминидов никеля/ А.И.Ковтунов, Т.В. Чермашенцева, С.В. Мямин, //Упрочняющие технологии и покрытия. №4, 2013. С.24-28.