М.А. Саденова, С.А. Абдулина, Т. Токжигитов, М. Жумжуменова, Н. Бикенева, Ж. Байтурганова, Г. Секенова

Восточно-Казахстанский государственный технический университет,

г. Усть-Каменогорск, Республика Казахстан

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ДОБАВОК НА СВОЙСТВА СПЕЧЕННОЙ АЛЮМИНИЕВОЙ ПУДРЫ (САП)

Спеченная алюминиевая пудра (САП) – сплавы алюминия и его оксида, полученные спеканием и деформированием дисперсного алюминиевого порошка. Применение САП в промышленности обусловлено высокими механическими и физическими свойствами. Настоящее исследование имело цель, сохранив высокую коррозионную стойкость САП и низкую плотность сплава (2,73 г/см³) повысить твердость, увеличить возможность силовой нагрузки без каких – либо деформаций путем введения различных добавок (Al₂O_3, TiC, TiN).

Для приготовления САП использовали машину спекания расплавленной плазмы (spark plasma sintering machin – SPS). Благодаря тому, что природа дисперсных образований в обычных стареющих алюминиевых сплавах и в спеченном алюминии различна, эти материалы очень различаются по своим свойствам. Спеченный алюминиевый порошок сохраняет высокую прочность до 500-600°C, а все алюминиевые сплавы при этой температуре переходят в полужидкое или вязкое состояние, кроме того САП не нуждается в закалке, по коррозионной стойкости, электропроводности и теплопроводности он близок к чистому алюминию.

На первой стадии исследования мы использовали пудру следующего состава: Al-16Si-2Fe-2Mg-1Cu-1Ni (алюминий остальное - образец А). Для приготовления необходимого количества образца был вычислен объем графитового модуля и по теоретической плотности найдена необходимая масса образца. На первом этапе определены оптимальные условия спекания данной пудры (давление, температура и время спекания). Для одновременной калькуляции всех трех характеристик необходим большой объем времени, и для сокращения проведения лишних тестов было решено установить влияние 2 факторов (температура и давление).

На рисунках 1-4 показана зависимость изменения плотности и твердости образца А от температуры и давления. После обсуждения полученных результатов в качестве оптимальных выбраны следующие условия - температура спекания 480^ОС при давлении в 37МПа, т.к. в это случае удается достичь хорошего спекания с минимальным количеством пор с сохранением хорошей твердости.

На следующей стадии работ изучено влияние на свойства сплава различных нанокомпонентных добавок, таких как Al₂O_3, TiC, TiN (при варьировании концентраций от 0,2% - до 15% и крупности частиц 0,2 мкм).

На рисунке 5 показаны результаты исследования плотности и твердости образца А, модифицированного оксидом алюминия (образец Б).

Полученные результаты свидетельствуют об обратном эффекте влияния данной нанокомпонентной добавки. С целью выявления природы полученной аномалии проведен электронно-микроскопический анализ (ЭМА) исследуемых проб (рисунки 6-9). Обнаружено наличие значительного количества пор, которое возрастает с увеличением концентрации Al₂O₃%. Данное явление может быть обусловлено следующими причинами:

- частицы оксида алюминия могут быть слишком малы для плотного взаимодействия со сплавом алюминия, и само их взаимодействие вызывает образование пор вследствие невозможности плотного взаимодействия.

- наличие гигроскопической влаги в образцах, не успевающей испариться при спекании.

- наличие электрических полей меняющих физические свойства данного сплава.

Исследование влияния нанодобавок TiC привело к значительному повышению плотности и твердости образца А до 2,778 г/см³ и 154,4 HV.

Рисунок 1 – Зависимость твердости Рисунок 2 – Зависимость плотности

образца А от температуры образца А от давления

Рисунок 3 - Зависимость твердости Рисунок 4 – Зависимость плотности

образца А от давления образца А от температуры

Рисунок 5 - Зависимость плотности и твердости образца Б от концентрации Al₂O₃%.

Рисунок 6 - Данные ЭМА образца Б Рисунок 7 - Данные ЭМА образца Б

с 0,5% Al₂O₃ с 5% Al₂O₃

Рисунок 8 - Данные ЭМА образца Б Рисунок 9 - Данные ЭМА образца Б

с 10% Al₂O₃ с 15% Al₂O₃

В мировой практике традиционно используется модифицирование сплавов алюминия путем введения до 15 масс.% TiC. Нами установлено, что введение 10 масс.% TiC приводит к повышению плотности и твердости исследуемого сплава до 2,778 г/см³ и 154,4 HV соответственно. Введение TiN обеспечило получение значения плотности равной 2,88 г/см³ и твердости - 156,7 HV, однако по данным ЭМА частицы нитрида титана не вступили во взаимодействие с алюминием, следовательно, сплав не пригоден для практического применения, также как и образец, полученный модифицированием 10 масс.% TiC высокопористый материал в связи с размерами частиц карбида титана (2-5 мкм).