Кобелева Л.И., Болотова Л.К., Калашников И.Е.,

Колмаков А.Г., Катин И.В.

Федеральное бюджетное учреждение науки Институт металлургии

и материаледения им. А.А.Байкова РАН

Получение градиентных композиционных структур методом центробежного литья

Одной из актуальных задач современного материаловедения является создание функционально армированных или градиентных композиционных материалов (ГКМ), имеющих различные структурно-фазовые состояния в объеме и на поверхности материала. Основное преимущество ГКМ заключается в том, что в них могут быть локально организованы слои со свойствами, необходимыми для специальных применений, такими как высокотемпературная износостойкость, сопротивление трению, коррозионная стойкость. Получение ГКМ осуществляется различными методами обработки поверхности – механической, термической, механическим легированием, нанесением пленок, покрытий. Наиболее экономичным способом изготовления ГКМ является центробежное литье. Формирование внутри матричного расплава локальных зон, обогащенных и обедненных частицами, происходит при движении частиц в поле действия центробежных сил. Сегрегация частиц может сохраниться в отливке при затвердевании смеси, подвергшейся центрифугированию.

Центробежным литьем на базе промышленного литейного алюминиевого сплава АК12 изготовлены образцы ГКМ следующего шихтового состава (таблица). Режим центробежного литья был одинаков для всех ГКМ: температура нагрева оснастки 210 ± 10°С, расплава 750 ± 10°С, ось вращения вертикальная, скорость вращения печи 1200 об/мин, длительность обработки 3 мин. Образцы имели форму втулок с наружным диаметром 92-94мм, внутренним диаметром ~ 60 мм, высотой 60-90мм. Втулки разрезали на сектора по образующей и анализировали их боковую поверхность с наружной и внутренней сторон.

Перемещение дисперсных частиц в поле действия центробежных сил определяется их плотностью. Сила, действующая на частицы при центробежном литье, увеличивается с увеличением плотности частиц, помещенных в расплав. Значения плотности армирующих частиц g_р и величина, определяющая поведение частиц в поле действия центробежных сил (D=g_р -g_м), где g_м – плотность матричного сплава АК12 (2,67 г/см³), приведены в таблице.

Таблица

Состав образцов, изготовленных методом центробежного литья

№ п/п	Композиция	gр, г/см^3	(gр-gм), г/см^3
1	АК12-10%Al2O3 (средний размер частиц dср = 40мкм)	3,99	1,33
2	АК12+10% С графит (dср = 200-400мкм)	1,7	-0,96
3	АК12+2%Al2O3+3% С графит
4	АК12+10%Al2O3+2% С графит
5	АК12+10%В4С (d £60мкм)	2,51	-0,16
6	АК12 + 5% базальта (короткие волокна dср = 12 мкм, длина £ 3 мм)	2,75	0,09

Исследование структуры и распределения частиц в градиентных слоях (ГС) на трех уровнях по высоте отливок выявило, что ширина ГС, распределение частиц в этих слоях, а так же по высоте втулок меняются с изменением удельного веса частиц.

В образце 1 выявлены области измененного состава с повышенной объемной долей наполнителя V_p до 35-45%, расположенные вдоль наружной поверхности цилиндра. Армирующая фаза достаточно равномерно распределена в зонах обогащения. Матрица представляет собой дендриты твердого раствора алюминия, окруженные эвтектикой Al-Si. Кристаллы эвтектического кремния имеют грубую, сфероидизированную форму. Количество армирующей фазы верхней и нижней части втулки различно. в верхней части отливки содержание частиц Al₂O₃ и ширина обогащенного слоя заметно меньше, чем в центральной и нижней части образца. Плотность распределения Al₂O₃ в градиентном слое от наружной поверхности цилиндра к центру уменьшается.

В образце 2 градиентный слой не обнаружен. Вблизи внутренней поверхности втулки и в центральной части образуется дендритная структура, но эвтектика Al-Si более дисперсна, тогда как у наружной поверхности втулки из-за отсутствия армирующего наполнителя и высоких скоростей кристаллизации эвтектические кристаллы кремния приобретают форму игл. Серебристый графит (С _графит) сохраняется в матрице в виде отдельных больших включений или происходит расщепление этих включений на отдельные усы. В верхней части втулки происходит некоторое обогащение матрицы графитом, а в нижней части – обеднение.

В полиармированных образцах 3 и 4 градиентный слой формируется, более заметно в образце 4, содержание частиц Al₂O₃ в котором в 5 раз больше. Распределение частиц по высоте втулки примерно одинаково. Структура матрицы в ГС – мелкодисперсная эвтектика, в которой расположены частицы Al₂O₃ и единичные включения графита, с наличием первичных кристаллов кремния, которые растут преимущественно от частиц Al₂O₃. Включения графита сохраняют в основном исходную компактную форму. В верхней части образцов, как и в образце №2, возрастает количество углеродных частиц, хотя и в нижней части образцов сохраняется углерод, всплыванию которого, по-видимому, препятствуют частицы Al₂O₃. Плотность армирующих компонентов в ГКС достаточно высока.

Структура полиармированного образца приведена на рисунке.

В образце 5 матрица имеет вид мелкодисперсной эвтектики Al-Si. В верхней части втулки по всей поверхности упрочняющая фаза В₄С достаточно равномерно распределена по всей поверхности, незначительное повышение концентрации упрочнителя можно наблюдать с внутренней стороны втулки. ГС обнаружены в нижней части втулки. Отличительной особенностью образца является накопление наполнителя В₄С около внутренней стенки втулки, что может быть обусловлено соотношением удельных весов компонентов В₄С и Al. Следов взаимодействия В₄С и матрицы не выявлено.

Рис. Панорамный вид образцов АК12 + 10%Al₂O₃ + 2%С

В образце 6, армированном базальтом, градиентный слой ярко выражен в верхней и средней части втулки, в нижней ее части градиентный слой практически не наблюдается.

Таким образом, согласно экспериментальным и данным по соотношению плотностей матричного расплава и наполнителей следует, что, например, подъемная сила частиц графита и B₄C имеет отрицательный знак, а для базальта ее величина незначительна, что и объясняет их всплывание и перемещение к свободной внутренней поверхности при вращении жидкого расплава. Твердые дисперсные частицы Al₂O₃, имеющие плотность большую, чем матричный алюминиевый сплав, следовательно, перемещаются к наружной стенке изложницы. Если инородные включения в момент заливки жидкого металла касаются стенки формы, то они прижимаются жидким металлом к ней и не всплывают, несмотря на меньшую плотность. Необходимо также учитывать транспортные функции частиц разной плотности, когда частицы с большей плотностью (Al₂O₃) увлекают за собой к внешней стенке изложницы менее плотные частицы (графита). Это создает возможности синтезирования ГКМ методами литья с различной степенью армирования.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 14-08-90011Бел_а.