УДК 539.8
DOI: 18.101/2306-2363-2019-2-3-39-44
УПРОЧНЕНИЕ СИЛУМИНА НАНОКРЕМНЕЗЕМЕМ © А. В. Номоев
доктор физико-математических наук
заведующий лабораторией физики композитных материалов Институт физического материаловедения СО РАН 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6 E-mail: nomoevav@mail.ru
© С. В. Калашников
директор ЦКП
Бурятский государственный университет 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а E-mail: betch_kail@mail.ru
© В. В. Сызранцев
кандидат физико-математических наук заместитель директора
Институт физического материаловедения СО РАН 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6 E-mail: vveliga@mail.ru
© Б. Г. Жалсанов
аспирант
Институт физического материаловедения СО РАН 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6 E-mail: bazarzhap.zhalsanov@mail.ru
© В. В. Лыгденов
аспирант
Институт физического материаловедения СО РАН 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6 E-mail: vladimirlygdenov@mail.ru
Рассмотрены аспекты создания упрочненного силумина за счет модифицирования его ультрадисперсными порошками кремния в тонкой магниевой оболочке. Показан механизм повышения адгезии кремния к алюминию обусловленный поверхностно-активными свойствами магния и высокой поверхностной энергии наночастиц, что способствует образованию химических соединений кремния с алюминием, и как следствие, к упрочнению сплава.
Для цитирования
Номоев А. В., Калашников С. В., Сызранцев В. В., Жалсанов Б. Г., Лыгденов В. Ц. Упрочнение силумина нанокремнеземом // Вестник Бурятского государственного университета. Химия. Физика. 2019. Вып. 2-3. С. 44-51.
Исследование возможности получения сплавов и композиционных материалов на основе алюминия с использованием аморфного кремнезема является актуальной задачей металлургии цветных металлов. Решение данной задачи дает конкурентное преимущество в металлургической отрасли. Развитие металлургического производства литейных сплавов зависит от себестоимости выпускаемой продукции и возможностей эффективного использования материально-сырьевых ресурсов. Из-за высокой стоимости первичного сырья, которое применяется при производстве алюминий — кремниевых сплавов, важна разработка новых и эффективных способов получения силуминов из отходов кремниевого производства.
С другой стороны, существенна роль упрочнения силумина при модифицировании его нанодисперсным порошком диоксида кремния [1, 2], так и с использованием микро- и нанодисперсного кремнезема в процессе производства сплава [2, 3].
Рассмотрим возможности упрочнения силумина при введении в расплав кремнезема.
Механизм упрочнения
Упрочнение алюминиевого сплава достигается, помимо возможных образований частицами зон кристаллизации, увеличением количества химического соединения Al-Si на фоне твердого раствора этих элементов — эвтектики. Но, так как доступным сырьем для цветной металлургии является SÍO2, возникает проблема восстановления кремния в расплаве алюминия, которая на сегодня остаётся неразрешённой. Это объясняется высокой химической устойчивостью оксида кремния, обусловленной несмачиваемостью частиц SiO2 жидким алюминием. Несмотря на многочисленные исследования системы А1(ж)-8Ю2, процессы межфазного взаимодействия её компонентов изучены недостаточно полно и представляют значительный научный и практический интерес для установления закономерностей синтеза силуминов, а также изучения структуры и свойств получаемых сплавов [3].
Рис. Размер отпечатка индентора микротвердомера на эвтектике силумина (а) и зерне, являющимся химическим соединением Al-Si (б)
На рис. 1 представлено полученное авторами микроизображение поверхности заэвтектического силумина на микротвердомере HV-1000. Серые зерна по данным микроэлементного анализа содержат химическое соединение Al-Si, белое зерно — силициды (Mn,Fe)mSin, остальное — эвтектика (a-Al+Si) [1].
На рисунке виден отпечаток индентора микротвердомера, размер его на зерне, содержащим систему Al-Si в виде химического соединения (рис. (б)) меньше, чем на эвтектике (рис. (а)), что свидетельствует о больших прочностных свойствах первого.
Поведение примесей алюминия, а также легирующих элементов в процессе получения силуминов с использованием в качестве источника кремния кремнезема (SÍO2) мало исследовано и представляет значительный интерес применительно к совершенствованию производства алюминиевых сплавов и композиционных материалов.
В работе [3] была установлена термодинамическая возможность протекания реакции восстановления кремния из аморфного кремнезёма алюминием (4A1 + 3SiÜ2 ^ 2AI2O3 + 3Si) в интервале температур 298-1600 K. Следует ожидать протекания данной реакции и при введении наночастиц диоксида кремния в расплав алюминия или силумина. Однако, среди химических соединений, образующихся в системе AI-SÍO2, наибольший интерес с точки зрения влияния на процесс взаимодействия в системе вызывает следующая реакция: Mg + SÍO2 ^ MgO + Si. Магний в расплаве является легирующим компонентом и эффективным восстановителем кремния, что определяется свободной энергией Гиббса, которая для последний реакции при температуре 1000 К равна -124,27 кДж/моль [3].
Однако в работе [3] не учтен вклад поверхностной энергии микро- или на-ночастиц в протекание вышеуказанной реакции, который может оказаться существенной причиной упрочнения силумина при введении наночастиц диоксида кремния, полученные в исследованиях [1, 4, 6].
Оценим поверхностную энергию микро- и наночастиц диоксида кремния. Избыток поверхностной энергии в расчёте на единицу площади раздела фаз характеризуется удельной свободной поверхностной энергией, которая определяется выражением [7]
где о — удельная свободная поверхностная энергия при кривизне поверхности г; Ош — удельная свободная поверхностная энергия на плоской поверхности; ha — толщина поверхностного (межфазного) слоя [8]. Для наших расчетов толщина данного слоя для частиц диоксида кремния взята из [9].
При малых значениях г следует воспользоваться формулой Русанова:
где k* — коэффициент, зависящий от свойств контактирующих тел. Однако определение этого коэффициента может быть лишь эмпирическим, что довольно затруднительно [10].
Из формулы (1) можно выразить удельную свободную поверхностную энергию наночастиц:
На основании формулы (2) рассчитана поверхностная энергия наночастиц диоксида кремния с различным средним размером частиц (табл.), полученных авторами методом разделения в поле центробежных сил [11] и использовавшихся в экспериментальной работе для модифицирования силумина [1].
Большинство наночастиц по отношению к окружающей среде находятся в неравновесном состоянии. Неравновесное состояние означает возможность изменения удельной свободной поверхностной энергии, которая зависит от энергии Гиббса следующим образом
где ЛGт - изменение энергии Гиббса; Bуд — удельная поверхность частиц.
Как видно из табл. удельная поверхностная энергия наночастиц значительно меньше свободной энергии реакции восстановления кремния 4А1 + 3SiO2 ^ 2AhOз + Si, рассчитанной для температур 298-1600 K [3]. Однако, расчет поверхностной энергии для сферических наночастиц с концентрацией 1 мас.% для одного килограмма силумина дает значения, сравнимые со свободной энергией реакции восстановления кремния.
Таблица
Рассчитанная поверхностная энергия наночастиц диоксида кремния с различным
средним размером частиц
Средний размер частиц порошка, нм Толщина поверхностного (межфазного) слоя, нм Удельная поверхностная энергия на плоской поверхности, Дж/м2 Удельная свободная поверхностная энергия частиц, Дж/м2 Удельная поверхность частиц, м2/г
Заключение
Проведенные измерения микротвердости зерен, содержащих силициды и Al-Si показали их высокое значение по сравнению с заэвтектическим соединением (a-Al+Si). Проведенный расчет поверхностной энергии наночастиц кремнезема с концентрацией 1 мас.% дает основания предположить высокую эффективность модификации силумина нанокремнеземом.
Работа частично выполнена за счет финансовых средств государственного задания (проект № 01201366187).
Материалы публикации подготовлены с использованием оборудования ЦКП «Научные приборы» ФГБОУ ВО «Бурятский государственный университет имени Доржи Банзарова».
— 2003. — С. 263.
— 2011. — Т. 81, Вып. 1. — С. 148-152.
STRENGTHENING OF SILUMIN WITH NANOSILICON
A. V. Nomoev
Doctor of Physical and Mathematical Sciences
Head of the laboratory of Physics of Composite Materials
Institute of Physical Materials Science SB RAS
E-mail: nomoevav@mail.ru
S. V. Kalashnikov
Director of Core Facilities
Buryat State University
E-mail: betch_kail@mail.ru
V. V. Syzrantsev
Candidate of Physical and Mathematical Sciences Deputy Director
Institute of Physical Materials Science SB RAS 670047, Ulan-Ude, Sakhyanovoy, Str., 6 E-mail: vveliga@mail.ru
B. G. Zhalsanov postgraduate student
Institute of Physical Materials Science SB RAS 670047, Ulan-Ude, Sakhyanovoy, Str., 6 E-mail: bazarzhap.zhalsanov@mail.ru
V. V. Lygdenov postgraduate student
Institute of Physical Materials Science SB RAS 670047, Ulan-Ude, Sakhyanovoy, Str., 6 E-mail: vladimirlygdenov@mail.ru
Aspects of the creation of hardened silumin due to modification with ultrafine powders of silicon oxide are considered. The structure of silumin, consisting of silicide grains, the chemical compound Al-Si and the eutectic (a-Al + Si), has been revealed. The Gibbs free energy and the surface energy of nanosized particles are compared. Keywords: silumin, hardening, Gibbs energy, nanoparticles, nanomaterials, composite particles, silica fume.