УДК 548.735:669.715

Микроструктура быстрозатвердевших фольг сплавов системы алюминий-свинец

В.Г.Шепелевич, Л.В.Жилко

Сплавы системы алюминий–свинец, в которых имеют место монотектическое превращение при 659 ºС и эвтектическое превращение при 327 ºС [1], находят применение в качестве антифрикционных и демпфирующих материалов [2,3]. Их механические свойства и эксплуатационные характеристики определяются не только химическим составом, но и размером, и морфологией. Структура металла существенно зависит от условий получения [4-6]. В последние десятилетия активно развиваются методы синтеза материалов в сильно неравновесных условиях, например, высокоскоростная кристаллизация, при которой скорость охлаждения расплава достигает 10⁵ К/с и выше [7,8]. В связи с этим исследование структуры быстрозатвердевших фольг сплавов системы алюминий-свинец является актуальным, имеет научное и практическое значение.

Используемые сплавы, содержащие 0,5..3,0 масс.% Pb, получены сплавлением компонентов в кварцевой ампуле. Чистота алюминия и свинца не хуже 99,99 %. Фольги сплавов получены при затвердевании капли расплава массой 0,2..0,3 г, выплеснутой на внутреннюю полированную поверхность вращающего с частотой 25 об/с медного барабана диаметром 20 см. Линейная скорость поверхности барабана 15 м/с. При проведении исследований использовались фольги толщиной 40..80 мкм. Скорость охлаждения расплава, как показал расчет [8], достигла 10⁶ К/с. При изучении структуры быстрозатвердевших фольг использовались растровая электронная микроскопия (микроскоп LEO 1455 VP), исследование зеренной структуры фольг также осуществлялся и методом дифракции электронов, который проводилось с помощью специальной приставки «HLK CHANNEL 5» к растровому микроскопу LEO 1455 VP.

Быстрозатвердевшие фольги исследуемых сплавов достигали 10 см в длине и 1 см в ширине. Зеркальная поверхность фольги, прилегающая к кристаллизатору (в дальнейшем поверхность А) содержала впадины микронных размеров. Противоположная поверхность фольги (поверхность В) имела бугристую структуру. На поверхности В и во впадинах поверхности А формируется ячеистая структура с размером ячеек от 1 до 5 мкм. На границах ячеек расположены дисперсные частицы свинца. Аналогичная структура наблюдается в сплавах алюминия с другими элементами, а также в сплавах других металлов [9,10]. Ее образование связывается с возникновением конвекционных потоков в расплаве, обусловленных концентрационно - капиллярным и термокапиллярным эффектами [11].

Высокоскоростная кристаллизация сплавов Al – (0,5 – 3,0) масс. % Pb, вызывая сильное переохлаждение жидкой фазы, приводит к измельчению зеренной структуры. На рис.1. приведена фотография поверхности А фольги сплава Al – 1,5 масс. % Pb.

Рис. 1. Зеренная структура поверхности А быстрозатвердевшей фольги сплава Al – 1,5 масс. % Pb

Распределение максимальных хорд сечений зерен на поверхности А и В по размерным группам характеризуется одним максимумом. Средние размеры зерен на поверхностях фольги А и В равны 27 и 29 мкм соответственно.

Микроструктура поперечного сечения фольги сплава Al – 1,5 масс. % Pb представлена на рис. 3.

(а)

(б)

(в)

Рис. 3. Микроструктура слоев фольги сплава Al – 1,5 масс. % Pb, прилегающих к поверхности А (а), В (б) и середине фольги (в)

Светлые пятна на фотографии соответствуют свинцу. Наблюдаются дисперсные выделения свинца, расположенные в объеме зерен матрицы, а также более крупные выделения, расположенные на границах зерен. Средние размеры выделений свинца, находящиеся в объеме зерен и на границах зерен, равны 0,11 и 0,29 мкм соответственно. При высокоскоростном затвердевании из-за значительного переохлаждения расплава образуются зерна пересыщенного твердого раствора на основе алюминия, между которыми располагаются дисперсные выделения свинца в виде капель (если температура затвердевающего сплава выше 327 ºС) или в виде дисперсных твердых частиц (если температура затвердевающего сплава ниже 327 ºС). Капли свинца при дальнейшем охлаждении испытывают эвтектическое превращение, при котором также образуются дисперсные выделения свинца, расположенные на границах зерен. В пересыщенном твердом растворе происходит выделение дисперсионных выделений свинца, которые располагаются внутри зерен матрицы и на границах зерен.

На рис. 4. приведена гистограмма распределения выделений свинца по размерным группам.

Рис. 4. Гистограмма распределения частиц свинца в быстрозатвердевшей фольге сплава Al – 1,5 масс. % Pb после получения (1), отжига при 430 °С (2) и 570 °С (3) в течении 3 ч

В исходном состоянии полученных быстрозатвердевших фольг преобладают выделения, относящиеся к первой размерной группе (до 0,1 мкм). Средний размер выделений свинца в фольге по мере перемещения фронта кристаллизации увеличивается. Различие средних размеров выделений свинца, находящихся вблизи поверхностей А и В, достигает 50 %. По мере перемещения фронта кристаллизации происходит уменьшение скорости охлаждения жидкости и степени ее переохлаждения. Наблюдается столбчатый рост зерен, при котором происходит оттеснение атомов свинца от межфазной границы к границам зерен, где они образуют дисперсные частицы, формируя строчечную структуру в средней части фольги. При проведении сравнительного анализа микроструктуры фольг и массивных образцов сплава Al – 1,5 масс. % Pb, полученных при скоростях охлаждения ~10^-2 и ~10² К/с обнаружено, что средние размеры выделений свинца в них равны 15 и 1,2 мкм соответственно. Зависимость среднего размера выделений свинца от скорости охлаждения жидкой фазы аппроскимируется выражением

d = 4,5 u^-0,26

(d – измеряется в мкм, а u – в К/с)

При нагреве быстрозатвердевших фольг сплавов наблюдается изменение в распределении дисперсных выделений свинца и их размера. Происходит их перераспределение по размерным группам, что иллюстрируется гистограммой (рис. 4.). Отжиг при 430 и 570 °С в течение 3 ч при каждой температуре фольг сплава Al – 1,5 масс. % Pb вызывает уменьшение доли выделений свинца в минимальной размерной группе и ее увеличение в больших размерных группах. Зависимость среднего размера частиц от температуры отжига приведена на рис. 5.

Рис. 5. Зависимость среднего размера частиц свинца, локализованных на границах (1) и в объеме (2) зерен, от температуры отжига фольг сплава Al – 1,5 масс. % Pb

Время выдержки при каждой температуре отжига составляло 3 ч. С увеличением температуры отжига растут средний размер выделений свинца, находящихся в объеме зерен и на их границах. При этом более интенсивно растут выделения свинца на границах зерен, чем в их объеме, что обусловлено развитием процессов диффузии и активацией переходов атомов через межфазную границу.

Определена зависимость среднего размера дисперсных выделения от времени выдержки при постоянной температуре отжига. Установлено, что наблюдаемые изменения среднего размера зерен от времени могут аппроксимировать выражением d = d₀ + at. Для выделений свинца, локализованных на границах зерен, d₀ = 0,29 мкм, а = 20 нм/ч, а для выделений находящихся в объеме зерен d₀ = 0,11 мкм, а = 9 нм/ч.

Таким образом, в быстрозатвердевших фольгах сплавов системы Al – Pb, содержащих до 3,0 масс. % свинца, образуются дисперсные выделения свинца, имеющие равноосную форму и их средний размер с увеличением скорости охлаждения уменьшается до десятых долей микрона. При отжиге фольг до 600 ºС средний размер выделений свинца в зависимости от времени выдержки при изотермическом отжиге увеличивается по линейному закону.

Литература

1. Под ред. М.П.Лякишев. Диаграммы состояния двойных металлических систем. В 3-х т. Т.2. М., – 1997. C. 1026

2. Отв. ред. Ф.И.Квасов, И.Н. Фридляндер. Промышленные деформированные, спеченные и литейные сплавы., -М., –1972. С. 438

3. Троицкий О.А., Баранов Ю.В., Аврамов Ю.Д., Шляпин А.Д. Физические основы и технология обработки современных материалов. В 2-х т. Т.1.- Москва – Ижевск, – 2004. С. 468

4. Под ред. Р.У. Кана и П.Т. Хаазена. Физическое металловедение: В 3-х т. Т.2. М., – 1987. С. 624

5. Мартин Дж., Доэрти Р. Стабильность микроструктуры металлических систем. М., – 1978. С. 248

6. Калачев Б.А., Габидуллин Р.М., Пигузов Ю.В. Технология термической обработки цветных металлов и сплавов. М. – 1980. С. 280

7. Васильев В.А., Митин Б.С., Пашков И.Н. и др. Высокоскоростное затвердевание расплава (теория, технология и материалы). М. – 1998. С. 400

8. Мирошниченко И.С. Закалка из Жидкого состояния. М., – 1982. С. 168

9. Сивцова П.А., Сивцов И.А., Шепелевич В.Г. Ж. функциональных материалов. – 2007. Т.1., № 4. С. 134-140.

10. Шепелевич В.Г., Гутько Е.С., Ташлыкова – Бушкевич И.И. Структура и свойства быстрозатвердевших сплавов Al- Zn // ФХОМ. – 2008. № 4. С. 18-25.

11. Астапчик С.А., Береза Н.А. Конвективный тепломассоперенос на фронте кристаллизации бинарных сплавов в условиях лазерного воздействия // ФМИ. – 2007. Т. 103, № 1. С. 3-14.