КОНТАКТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В КОНТАКТЕ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ

CONTACT INTERACTION THE CONTACT OF REFRACTORY METALS

Timur Guppoev

  director of Kabardino-Balkar public youth organization «Young scientists», Kabardino-Balkar state University. After H.M. Berbekov

Russia, Nalchik

АННОТАЦИЯ

Проведено исследование контактного взаимодействия в системе никель-титан при температуре опыта ниже наинизшей эвтектической температуры на равновесной диаграмме состояния. Установлено понижение температуры контактного плавления (КП) с образованием метастабильной фазы. Также были исследованы особенности высокотемпературного КП в системе алюминий-медь. Установлено существенное влияние наличия оксидной пленки на начальную стадию контактного плавления в системе Al-Cu.

ABSTRACT

A study of the contact interaction in the Nickel-titanium system at an experiment temperature below the lowest eutectic temperature on the equilibrium state diagram was carried out. A decrease in the contact melting temperature with the formation of a metastable phase is established. Also were investigated the high-temperature KP in the system aluminium-copper. A significant effect of the presence of an oxide film on the initial stage of contact melting in the Al-Cu system was established.

В настоящее время в мировой промышленности наблюдается все более возрастающая потребность в алюминии и сплавах на его основе. За последние годы доля алюминия, применяемого в автомобилестроении увеличилась с 50 кг до 100 кг при производстве одного автомобиля. Причиной этому является широкий спектр полезных свойств, которыми обладает данный металл [1, С. 117]. В связи с этим особый интерес вызывает изучение свойств, проявляемых алюминием в сплавах и в различных технологических процессах, в частности при пайке. Имеющиеся в литературе данные по контактному плавлению (КП) относятся в основном к легкоплавким металлическим системам, хотя, с точки зрения практики, не меньший интерес представляют высокотемпературные системы на основе Al, Cu, Ti, Fe, Ni, Mn и др., КП в которых мало изучено. Кроме того, эти системы, как правило, являются сложными и имеют несколько промежуточных фаз на равновесных диаграммах состояния.

В связи с этим нами собрана вакуумная установка (рис. 1а), позволяющая проводить исследование КП до 1200 ⁰С в вакууме 10^–3÷10^–5 мм рт. ст. Специальный держатель (рис. 1б), снабженный манипулятором, позволяет осуществить контакт образцов при достижении температуры опыта.

1 – рукоятка манипулятора образцедержателя, 2 – винт крепления к рабочей камере, 3 – устройство для передачи движения в вакуум, 4 – токовводы температурного датчика, 5 – токовводы нагревательного элемента, 6 – малый фланец с отверстиями для крепления, 7 – непосредственно система образцедержателей, 8 –нагревательный элемент, 9 – верхний образцедержатель, 10 – температурный датчик, 11 – образцы, 12 – нижний образцедержатель, 13 – микровинтовой натекатель, 14 – датчик низкого вакуума, 15 – датчик высокого вакуума, 16 – токовводы, 17 – место крепления системы образцедержателей, 18 – верхний фланец рабочей камеры, 19 – иллюминатор, 20 – патрубок откачного поста, 21 – нижний фланец рабочей камеры, 22 – цилиндр с двойной рубашкой, 23 – источник света.

Методика эксперимента. Исследования проводились в нестационарно-диффузионном режиме, описанном в работе [2, с. 71], в вакуумной ячейке, позволяющей проводить КП до 1200 ⁰С в вакууме 10^–3÷10^–5 мм рт. ст. Специальный держатель, снабженный манипулятором, позволяет осуществить контакт образцов при достижении температуры опыта. Для исследования КП в системе Ti-Ni образцы готовились из металлов Ti марки ВТ1-00СВ чистоты не менее 99,99 % и Ni марки Н1У чистоты не менее 99,95 %.

Использовались цилиндрические образцы длиной 10-12 мм и диаметром 2 мм с отполированными торцевыми поверхностями. Образцы располагались вертикально. Титан закреплялся сверху, никель – снизу. Система помещалась в вакуумную камеру. Давление в камере ~ 10^-5 Па, температура T = 700 ⁰С.

Результаты эксперимента. На рис.2 представлена диаграмма состояния данной системы [3, с. 97].

Рисунок 2. Диаграмма состояния системы Ti-Ni

Данная система характеризуется тремя эвтектиками: Ti+Ti₂Ni (T=942⁰С), TiNi+TiNi₃ (1118⁰С), TiNi₃+Ni (T=1304⁰С) и тем, что в ней образуется три соединения: Ti₂Ni, TiNi, TiNi₃. Соединение Ti₂Ni образуется по перитектической реакции и имеет область гомогенности. При температуре 700⁰С область гомогенности составляет ~2 ат. % и сужается с понижением температуры. Соединение TiNi кристаллизуется из расплава при 1310⁰С. С понижением температуры растворяет в себе некоторое количество Ni в Ti, что приводит к образованию области его гомогенности. Максимальная область гомогенности TiNi при 1118⁰С простирается от 49,5 до 57 ат. % Ni. Предполагается, что при температуре ниже 630⁰С TiNi эвтектоидно распадается на смесь двух фаз Ti₂Ni и TiNi₃. Соединение TiNi₃ плавится конгруэнтно при 1380⁰С.

На рис. 3 представлены фото торцевых поверхностей титана и никеля после эксперимента.

а)                                                                       б)  

Рисунок 3. Фото торцевых поверхностей: а) никель, б) титан, t=5мин, t=700 ⁰С

Как видно из рис. 3, в контакте появилась инородная фаза, что свидетельствует об образовании квазижидкости в исследуемой системе при данных условиях эксперимента.

Далее в работе исследовалась роль оксидной пленки в процессе высокотемпературного КП в системе Al-Cu.

Исходными материалами для эксперимента служили Al чистоты 99,99% и Cu чистоты не менее 99,99%. Алюминий закреплялся сверху, медь – снизу.

Результаты экспериментов. Опыты проводились в вакууме и на воздухе при температурах 555±3⁰С и 595±3⁰С, что по данным диаграммы состояния выше эвтектической температуры на 7⁰С и 47⁰С соответственно. Образцы в виде цилиндров диаметром 2,5÷3 мм приводились в контакт отполированными торцевыми поверхностями с помощью манипулятора при достижении фиксированной температуры опыта – 545±3⁰С, которая ниже эвтектической температуре 2-3⁰С. Затем выдерживались при этой температуре определенное время. После завершения КП образцы охлаждались и в дальнейшем подвергались металлографическому анализу.

Рисунок 4. Часть диаграммы состояния системы Al-Cu

При этом жидкость в зоне контакта не появляется и происходит рост промежуточных фаз за счет диффузии в твердой фазе. На металлографических шлифах четко выявляется диффузионная зона. По-видимому, это фазы  и  на основе соединений CuAl и CuAl₂ (часть диаграммы состояния системы Cu-Al приведена на рис.4).

На рис. 5 представлено фото структуры контактной прослойки после двухчасового эксперимента в вакуумной печи при температуре 595±3⁰С. Как видно из рисунка, контактная прослойка имеет весьма выраженную структуру, протяженность которой достигает 3,4 мм. В самой прослойке наблюдается область, отличающаяся повышенной хрупкостью, что, видимо, связано с образованием при температуре близкой к 595⁰С (согласно диаграмме состояния) твердого раствора на основесоединения Cu₉Al₄. Эта область наблюдается со стороны алюминия.

Рисунок 5. Фото структуры контактной прослойки системы Al-Cu

На следующем этапе исследований проводился предварительный отжиг алюминиевых образцов на воздухе при температуре 450⁰С  в течение 30 минут. После чего отожженный алюминиевый образец укреплялся в держателе вакуумной камеры вместе с образцом из меди и проводился опыт. Попытки обнаружить КП между отожженным Al и Сu в вакууме не удались.

После двухчасового опыта при температурах до 650 ±3⁰С КП не происходило. Подобное поведение образцов Al и Cu в контакте подтверждают мысль о том, что начальная стадия КП протекает между оксидными пленками, толщина которых зависит от температуры. То есть наблюдается размерный эффект между оксидными пленками контактируемых образцов. Существенную роль при этом играет оксидная пленка алюминия.

На завершающем этапе нашего исследования проводили КП в системе алюминий – медь, увеличивая время эксперимента с 1 часа до 6 часов с шагом в один час. На рис. 6 представлены фото структуры контактной прослойки образцов.

Рисунок 6. Фото структуры контактной прослойки:

а) τ = 1 ч., б) τ = 2 ч., в) τ = 3 ч., г) τ = 4 ч., д) τ = 5 ч., е) τ = 6 ч.

Как видно из рис. 6, контактная прослойка увеличивается со временем опыта. Металлографический анализ показывает наличие включений в контактной прослойке.

На рис. 7 представлена временная зависимость квадрата протяженности контактных прослоек d² от времени опыта τ.

Рисунок 7. Зависимость d²(τ) в системе Al-Cu

Зависимость d²(τ) имеет практически линейный вид, что говорит о диффузионном характере процесса контактного плавления в системе Al-Cu.

Выводы

1. Впервые установлено понижение температуры относительно наинизшей эвтектики по диаграмме состояния, примерно на 240 градусов. Полученный результат мы связываем с наличием химических соединений, возникающих в данной системе.

2. Осуществлено высокотемпературное контактное плавление при температурах: 555±3⁰С и 595±3⁰. Повышение температуры приводит к более четкому проявлению химических соединений, указанных на диаграмме состояния.

3. Выявлена существенная роль толщины оксидной пленки образцов алюминия при КП с медью (вплоть до температуры плавления алюминия КП обнаружить не удалось).

4. Для системы Al-Cu построена зависимость квадрата протяженности контактных прослоек d² от времени  эксперимента.

Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (договор № 10380ГУ2/2016 от 11.07.2016).

Список литературы:

1. С. В. Шишкин, Н. А. Махутов. Расчёт и проектирование силовых конструкций на сплавах с эффектом памяти формы. Ижевск: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2007.
2. И.М. Темукуев. О диффузии при контактном плавлении в стационарном режиме при наличии внешних сил. // Труды X Российской конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов», Екатеринбург, 4, 71, (2001).
3. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник: В 3 т.: Т.3. Кн. 1. Под общ. ред. Н.П. Лякишева. М.: Машиностроение, 2001.