ВЛИЯНИЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

ВЛИЯНИЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Апакашев Рафаил Абдрахманович

д-р хим. наук, проф., Уральский государственный горный университет,

РФ, г. Екатеринбург

Хазин Марк Леонтьевич

д-р техн. наук, проф., Уральский государственный горный университет,

РФ, г. Екатеринбург

INFLUENCE OF NANOSTRUCTURING ON THE MECHANICAL PROPERTIES AND CORROSION RESISTANCE OF ALUMINUM AND ITS ALLOYS

Rafail Apakashev

doctor of chem. Sciences, Professor, Ural State Mining University,

Russia, Yekaterinburg

Mark Khazin

doctor of tech. Sciences, Professor, Ural State Mining University,

 Russia, Yekaterinburg

Результаты настоящей работы получены при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках базовой части государственного задания № 0833-2020-0007.

АННОТАЦИЯ

Исследовали износостойкость, твердость и коррозионную стойкость образцов алюминия марки A0 и алюминиевого сплава АМг6, полученных металлургическим способом без проведения и с проведением наноструктурирующей обработки. Износостойкость образцов металлов и сплавов определяли на четырёхшариковой машине трения, оборудованной специальным узлом трения. Испытания износостойкости проводили в течение 180 ± 1,5 мин при статической нагрузке 98 Н с частотой вращения 1460 ± 70 мин^-1. В качестве смазочно-охлаждающей жидкости использовали синтетическое моторное масло. Для определения типа структуры образцов применяли электронную и атомную силовую микроскопию. Показано, что наноструктурирование данных цветных металлов и сплавов повышает износостойкость образцов на 12-28 % при соответствующем увеличении твёрдости на величину 12-15 %.

ABSTRACT

The wear resistance, hardness, and corrosion resistance of A0 grade aluminum and AMg6 aluminum alloy samples obtained by a metallurgical method without and with nanostructuring treatment were studied. The wear resistance of samples of metals and alloys was determined on a four-ball friction machine equipped with a special friction unit. Wear resistance tests were carried out for 180 ± 1.5 min at a static load of 98 N with a rotation frequency of 1460 ± 70 min^-1. Synthetic engine oil was used as a cutting fluid. The samples structure was determined using electron and atomic force microscopy. It is shown that nanostructuring of these non-ferrous metals and alloys increases the wear resistance of samples by 12-28% with a corresponding increase in hardness by 12-15%.

Ключевые слова: алюминий, сплавы цветных металлов, наноструктура, трение, износостойкость, коррозионная стойкость, твёрдость.

Keywords: aluminum, non-ferrous metal alloys, nanostructure, friction, wear resistance, corrosion resistance, hardness.

Введение.

Снижение потерь на трение и износ узлов машин и механизмов является одной из основных задач современного машиностроения, поскольку в результате машины выходят из строя и требуют ремонта, на который расходуются значительные средства [1]. Для повышения ресурса и надёжности узлов машин и механизмов, требуются материалы, способные длительное время выдерживать высокие удельные нагрузки и скорости взаимного перемещения деталей узлов трения. Таким требованиям потенциально удовлетворяют металлические материалы с наноструктурой, которая, как правило, обеспечивает повышенные физико-механические свойства [2-4].

В настоящее время для получения наноструктуры использубтся различные технологии, например, термомеханическая обработка или жидкофазные методы [3]. Большинство работ, посвященных исследованиям триботехнических параметров металлических наноматериалов относится к пленкам и покрытиям или к дисперсно-упрочненным композиционным материалам, армированных различными наночастицами [4-6]. Это связано с большей доступностью способов получения композитов покрытий с наноструктурой. В тоже время работ, посвященных исследованиям в области влияния объемных металлов и сплавов с наноструктурой значительно меньше. Для качественной работы узлов трения важны не только физико-механические свойства материалов, но и их коррозионная стойкость.

Легкие металлы, такие как алюминий, титан и магний представляют значительный интерес для транспортной, аэрокосмической и нефтегазовой отраслей [7]. Алюминий и его сплавы характеризуются хорошей устойчивостью к коррозии в различной окружающей среде. Несмотря на то, что алюминий – химически активный металл, он остается устойчивым благодаря образованию защитной оксидной пленки на поверхности, однако его недостатком являются невысокие физико-механические свойства.

Материалы и методы исследований.

Проводили исследование влияние параметров структуры на механические свойства и коррозионную стойкость алюминия марки А0 (Аluminium 1100) и сплава АМг6 (ASTM B221 no. 5654). Образцы получали плавлением металлов в электрической печи в тиглях из диоксида циркония в восстановительной атмосфере. Структурирующую обработку материалов проводили в жидкофазном состоянии по ранее разработанной методике [8]. После плавления получали по 10 слитков каждого металла и сплава высотой 12,0 мм и диаметром 20,0 мм, которые затем разрезали на металлорежущем станке на образцы.

Структуру образцов металлов и сплавов изучали на электронно-ионном микроскопе ZEISS CrossBeam AURIGA, сканирующем зондовом микроскопе NEXT с кантилевером NSG30, а также с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ).

Испытания на износостойкость образцов (убыль массы на единицу площади поверхности) проводили на четырёхшариковой машине трения ЧМТ-1, со специальным узлом трения^[1] [9] при статической нагрузке 98 Н и частотой вращения 1460 ± 70 мин^-1 с автоматическим выключением двигателя по истечении времени испытаний - 180 ± 1,5 мин. Данный узел обеспечивает воспроизведение нормированного воздействия осевой нагрузки на образец, составляющий пару трения с твёрдым сплавом ВК-15. В качестве смазочно-охлаждающей жидкости использовали синтетическое моторное масло. Убыль массы образцов до и после испытаний определяли взвешиванием ли электронных аналитических весах AND GR300 с погрешностью 0,1 мг. За результат принимали среднее арифметическое значение из трёх параллельных испытаний при расчетной погрешности 3,0 %.

Измерение твёрдости образцов проводили на универсальной испытательной машине Zwick/Roell Z050 с программным комплексом testXpert II методом Бринелля согласно ГОСТ 9012-59.

Коррозионную стойкость образцов изучали в растворе электролита, содержащего 30 г/л NaCl с добавкой уксусной кислоты до рН=4,0. Испытания проводили в ячейке с объемом раствора – 500 мл без принудительной циркуляции коррозионной среды при комнатной температуре (+22 ^оС) и временем выдержки 144 ч. Предварительно образцы полировали, промывали этиловым спиртом, сушили и взвешивали. Затем на капроновой нити подвешивали в ячейку по три образца каждого материала, обеспечивая их полное погружение в раствор. По истечении времени испытаний образцы извлекали из ячейки, промывали теплой дистиллированной водой, этиловым спиртом, просушивали и взвешивали. Скорость коррозии определяли, как среднее арифметическое результатов трех испытаний с относительной погрешностью не более 5 %. Кроме того, в каждом случае фиксировали внешний вид образцов и оценивали состояние их поверхности.

Результаты исследований и их обсуждение.

После кристаллизации структура алюминия представляла равноосные полиэдрические зерна со средним размером 185 мкм. После проведения структурирующей обработки размер зерен резко уменьшался (почти в 2000 раз), и образуя наноструктуру со средним размером зёрен 80 нм. Аналогичная картина отмечается и в случае сплава АМг6, который после кристаллизации также имел полиэдрическую структуру со средним размером зерна 150 мкм. Вследствие многокомпонентного состава сплава на границах зерен присутствуют многочисленные включения избыточных фаз. При переходе к наноструктурированному состоянию средний размер зерна в сплаве уменьшался почти в 3000 раз и составлял в среднем 52 нм.

С уменьшением размера зерен твердость и износостойкость металлических материалов увеличивается (рис. 1).

Рисунок 1. Изменение твердости (1, 2) и коррозионной стойкости (3, 4) от размера зерна образцов алюминия (●) и сплава АМг6 (▲)

Для алюминия повышение твердости составило 12,3 %, а для сплава АМг6 - 15,1 %, а повышение износостойкости образцов составило 28,2 % для алюминия и 24,2 % для сплава АМг6.

Полученные результаты согласуются с известными данными, отмечающими повышение механических свойств металлических материалов при переходе к наноструктуре. Например, показано увеличение твёрдости по Бринеллю на 37 % и предела прочности на 20 % при изучении свойств алюминиевого сплава АД31 с наноструктурой [10]. Аналогичные результаты были получены и при исследовании алюминиевого сплава АМг5. После проведения модификации структуры в жидкофазном состоянии термобарическим методом отмечали повышение прочности на 10-20 % и микротвердости в 1,5-1,8 раза по сравнению с исходным сплавом [3].

Следует отметить, что для литого алюминия износостойкость и механические свойства значительно улучшаются также при его армировании наноразмерными частицами. Показано [11], что введение наночастиц Al₂O₃ с массовой долей от 1 до 5 % в алюминиевую матрицу значительно увеличивает предел прочности при растяжении, предел текучести и твердость материала пропорционально количеству содержания наполнителя.

Исследование коррозионной стойкости показало, что для всех образцов наблюдается сплошная коррозия, с равномерным распределением коррозионного поражения металлической поверхности (рис. 2).

Al                                              АМг6

Рисунок 2. Поверхность образцов после испытаний коррозионной стойкости (х200)

При сплошной равномерной коррозии металлов коррозионную стойкость характеризуют потерей массы на единицу площади поверхности и глубиной проникновения коррозии. Соответственно рассчитывают скорость убыли массы и линейную скорость коррозии [12].

Скорость убыли массы (V_k), представляет собой отношение:

где m₁, m₂ - масса образца до и после коррозии соответственно; г;

S - площадь поверхности образца, м²; t - время коррозионного разрушения, ч;

Массовые потери при коррозии пересчитывали в скорость коррозии (П), выраженную в мм/год:

где ρ - плотность металла, г/см³;

8,76 – коэффициент пересчета.

Плотность металлических материалов для использования в расчетах определяли методом гидростатического взвешивания.

Таблица 1.

Результаты исследования коррозионной стойкости образцов

С уменьшением размера зерен также уменьшается скорость коррозии. Для образцов металлов и сплавов с нанокристаллической структурой уменьшение скорости коррозии составляет примерно 11 %, по сравнению с образцами с исходной структурой. В работе [13] также отмечали повышение коррозионной стойкости сплавов алюминия при образовании наноструктуры.

При переходе к наноструктуре размер зерна уменьшается и изменяется состояние поверхности, что проявляется при электрохимической коррозии металла. Малый размер зерна улучшает диффузию элементов, а это изменяет состав и морфологию защитной пленки на поверхности. Ионы, встраиваемые в пассивную пленку, изменяют ее свойства и коррозионную стойкость материалов [14]. Сложная зависимость скорости коррозии от размера зерна алюминия также отмечалась в работе [15].

Выводы.

Исследовано влияние наноструктурирования на твердость, износостойкость и коррозионную стойкость образцов алюминия марки А0, и алюминиевого сплава Амг6. Показано, что наноструктурирование металлов и сплавов оказывает значительное влияние на их механические свойства и химическую стойкость. Наноструктурирование изученных металлов и сплавов повышает их износостойкость на 12-28 % при соответствующем увеличении твёрдости на величину от 12 до 15 %, обработки повышение коррозионной стойкости составляет в среднем 11 %.

Полученные результаты имеют научное и прикладное значение при использовании как металлов и сплавов с наноструктурой, так и металломатричных композитов в качестве конструкционных материалов горных машин, в частности, предполагают возможность расширения применения подобных материалов в узлах трения.

Список литературы:

1. Махутов Н. А., Гаденин М. М. Комплексная оценка прочности, ресурса, живучести и безопасности машин в сложных условиях нагружения // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2020. № 4. С. 24-34. DOI: 10.31857/S0235711920040094
2. Wu Q., Miao W., Zhang Y., Gao H., Hui D. Mechanical properties of nanomaterials: A review // Nanotechnology Reviews, Vol. 9, no. 1, 2020, pp. 259-273. https://doi.org/10.1515/ntrev-2020-0021
3. Витязь П. А., Сенють В. Т., Хейфец М. Л., Бородавко В. И., Соболь С. Ф., Колмаков А. Г., Клименко С. А. Синтез наноструктурированных градиентных материалов с управляемой термобарической обработкой и модифицированием // Актуальные вопросы машиноведения. - 2016 (5), 302-307
4. Babak V. P., Shchepetov V. V., and Harchenko S. D. Antifriction Nanocomposite Coatings that Contain Magnesium Carbide // Journal of Friction and Wear. - 2019 (40), no. 6, 593-598
5. Fathy A., Elkady O., and Abu-Oqail A. Microstructure, Mechanical and Wear Properties of Cu-ZrO2 Nanocomposites // Materials Science and Technology. - 2017 (33), no. 17, 2138-2146
6. Natrayan L., Balaji S., Bharathiraja G., Kaliappan S., , Wubishet D. V., Mammo D. Experimental Investigation on Mechanical Properties of TiAlN Thin Films Deposited by RF Magnetron Sputtering // Journal of Nanomaterials, vol. 2021, Article ID 5943486, 7 pages, 2021. https://doi.org/10.1155/2021/5943486
7. 11. Rohatgi P. K., Xiang C., Gupta N. Aqueous corrosion of metal matrix composites // In Comprehensive Composite Materials II. 2017. Pp. 287-312. Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803581-8.09985-9
8. Apakashev R. and Valiev N. The Effect of Directional Flow of Metallic Melt on the Structure of Cast Metal // Advanced Materials Research. - 2013 (684), 338-341
9. Apakashev R. A., Khazin M. L., Krasikov S. A. Effect of Nanostructuring of Aluminum, Copper, and Alloys on Their Basis Wear for Resistance and Hardness // Journal of Friction and Wear, 2020. 41(5), 428-431. DOI: 10.3103/S1068366620050037
10. Машеков С. А., Нугман Е. З., Тусупкалиева Э. А., Машекова А. С., Мауленова М. Р. Ударное разрушение наноструктурированного алюминиевого сплава АД31 после различных видов термической обработки и прокатки в винтообразных валках // Современные наукоемкие технологии. - 2018, № 4, 97-102
11. Al-Salihi H. A., Mahmood A. A., and Alalkawi H. J. Mechanical and Wear behavior of AA7075 Alu­minum Matrix Composites Reinforced by Al2O3 Nanoparticles // Journal Nanocomposites. - 2019 (5), no. 3, 67-73
12. 10. ГОСТ 9.908-85 Единая система защиты от коррозии и старения. Металлы и сплавы. Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости. М.: ИПК Издательство стандартов, 1999. 17 с.
13. Esquivel J., Murdoch H. A., Darling K. A., Gupta R. K. Excellent corrosion resistance and hardness in Al alloys by extended solid solubility and nanocrystalline structure // Materials Research Letters. 2018. Vol. 6 No. 1. Рр. 79-83, DOI: 10.1080/21663831.2017.1396262
14. Sun L., He, X., Lu J. Nanotwinned and hierarchical nanotwinned metals: a review of experimental, computational and theoretical efforts // npj Comput Mater. 2018. Vol 4. Рр. 6. https://doi.org/10.1038/s41524-018-0062-2
15. Berlanga-Labari C., Biezma-Moraleda M. V., Rivero P. J. Corrosion of Cast Aluminum Alloys: A Review // Metals. 2020. Vol. 10. No. 10. Рр. 1384-1423. doi:10.3390/met10101384C.