ОСОБЛИВОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ НАНОРОЗМІРНИХ ЧАСТИНОК ДЛЯ МОДИФІКУВАННЯ СТРУКТУРИ МЕТАЛЕВИХ СПЛАВІВ
Procesi littâ, 2024, Vol 4 (158), 14-24
DOI:
https://doi.org/10.15407/plit2024.04.014Ключові слова:
алюмінієві сплави, неметалічні частинки, кристалізація, зародки кристалізації, модифікування, електроконтактна взаємодіяАнотація
У статті здійснено ретроспективний огляд проблеми впливу субмікро- та нанорозмірних частинок різної природи на розплави, процеси нуклеації (зародкоувторення кристалічних фаз) та структуроутворення виливків при їх охолодженні та кристалізації. В огляді основну увагу приділено засвоєнню мікро- та нанорозмірних частинок металевими розплавами, їх
змочуванню та модифікуючій здатності. Розглянуто механізми впливу мікро- та нанорозмірних частинок на процеси утворення центрів кристалізації та подальший ріст кристалів при твердненні металевих розплавів. Дано оцінку міжфазної взаємодії та внеску поверхневих сил і електроконтактної взаємодії на утворення зародків на підкладках обмеженого розміру і
можливість реалізації гетерогенної кристалізації. Розглянуто низку неметалічних частинок, що їх широко використовують як добавки для одержання дискретноармованих композиційних матеріалів на основі алюмінієвих сплавів (серед розглянутих неметалічних частинок TiO2, SiO2, α-Al2O3, γ-Al2O3, SiC, тощо). В огляді показано, що суттєву роль в розглянутих процесах відіграють такі фактори: стан поверхні нанорозмірних частинок, їх морфологія та електроконтактна взаємодія (що пов’язана з густиною заряду на поверхні частинок провідників), які роблять значний внесок у зниження поверхневої енергії на міжфазній границі. Для підкладок діелектриків величина електроконтактної взаємодії порівняно низька, але вона радикально змінюється при зменшенні напівтовщини (радіуса) частинки менше Дебаївського радіуса, що значно збільшує вплив електростатичної складової на баланс поверхневих енергій та призводить до зменшення розміру критичного зародка. Таким чином, роль неметалічних частинок у зародженні та рості зародків кристалізації в металевих розплавах потрібно
оцінювати, враховуючи комплекс їх параметрів, включаючи електроконтактну взаємодію з розплавом, не обмежуючись структурною відповідністю.
Посилання
Turnbull, D. (1952) Kinetics of Solidification of Supercooled Liquid Mercury Droplets. Journal of Chemical Physics 20(3), 411–424. https://doi.org/10.1063/1.1700435
Turnbull, D. (1953) Theory of catalysis of nucleation by surface patches. Acta Metallurgica 1(1), 8–14. https://doi.org/10.1016/0001-6160(53)90004-2
Eustathopoulos, N., Joud, J.-C., & Desré, P. (1972). Étude thermodynamique de la tension interfaciale solide/liquide pour un système métallique binaire. Journal de Chimie Physique, 69, 1599–1605. https://doi.org/10.1051/jcp/1972691599 [in French].
Bunn, A.M., Evans, P.V., Bristow, D.J., Greer, A.L. (2016). Modelling of the Effectiveness of Al-Ti-B Refiners in Commercial Purity Aluminium. In: Grandfield, J.F., Eskin, D.G. (eds) Essential Readings in Light Metals. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48228-6_47
Maxwell, I., Hellawell, A. (1975). A Simple Model for Grain Refinement during Solidification. Acta Metallurgica, 23, 229–237. https://doi.org/10.1016/0001-6160(75)90188-1
Greer, A. L., Cooper, P. S., Meredith, M. W., Schneider, W., Schumacher, P., Spittle, J. A., & Tronche, A. (2003). Grain Refinement of Aluminium Alloys by Inoculation. Advanced Engineering Materials, 5 (1–2), 81–91. https://doi.org/10.1002/adem.200390013
Wang, Y., Li, H.-T., Fan, Z. (2012). Oxidation of Aluminium Alloy Melts and Inoculation by Oxide Particles. Transactions of the Indian Institute of Metals, 65(6), 653–661. https://doi.org/10.1007/s12666-012-0194-x
Campbell, J. (2014). Discussion of “Effects of Melt Thermal-Rate Treatment on Fe-Containing Phases in Hypereutectic Al-Si Alloy.” Metallurgical and Materials Transactions A, 45, 4193. https://doi.org/10.1007/s11661-014-2413-z
El Mahallawi, I., Shash, Y., Rashad, R.M., Abdelaziz, M.H., Mayer, J., & Schwedt, A. (2014). Hardness and Wear Behaviour of Semi-Solid Cast A390 Alloy Reinforced with Al2O3 and TiO2 Nanoparticles. Arabian Journal for Science and Engineering, 39, 5171–5184. https://doi.org/10.1007/s13369-014-1179-3
Plotkowski, A.J. (2012). Refinement of the Cast Microstructure of Hypereutectic Aluminum-Silicon Alloys with an Applied Electric Potential. A Thesis Submitted to the Graduate Faculty of Grand Valley State University in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science in Engineering. Padnos College of Engineering and Computing. 94 p.
Al-Helal, K.W.A. (2013). New Approaches to Casting Hypereutectic Al-Si Alloys to Achieve Simultaneous Refinement of Primary Silicon and Modification of Eutectic Silicon. A thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy. Brunel Centre for Advanced Solidification Technology (BCAST), Brunel University. 174 p.
Gomez, I.V. (2011). Influence des nano-particules d’alumine (Al2O3) et de di-borure de titane (TiB2) sur la microstructure et les propriétés de l’alliage Al-Si9-Cu3-Fe1 pour des applications de fonderie à haute pression. Thèse Présentée à l’Université Bordeaux 1 École Doctorale des Sciences Chimiques Pour Obtenir le Grade de Docteur, Spécialité: Physico-Chimie de la Matière Condensée. Bordeaux: Universite Sciences et Technologies, 153 p. https://theses.hal.science/tel-00670402
Sajjadi, S.A., Torabi Parizi, M., Ezatpoura, H.R., Sedghi, A. (2012). Fabrication of A356 composite reinforced with micro and nano Al2O3 particles by a developed compocasting method and study of its properties. Journal of Alloys and Compounds, 511, 226–231. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.08.105
Iizuka, T., Ouyang, Q. (2014). Microstructures and mechanical properties of MgAl 2O4 particle-reinforced AC4C aluminum composites. Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 24, 2337–2345. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(14)63354-9
Cao, G.H., Liu, Z.G., Liu, J.M., et al. (2001). Interface Investigations of Alumina and Aluminosilicate Short-Fiber-Reinforced Aluminum-Alloy Composites. Composites Science and Technology, 61, 545–550. https://doi.org/10.1016/S0266-3538(00)00225-6
Li, H.-T., Wang, Y., Fan, Z. (2012). Mechanisms of enhanced heterogeneous nucleation during solidification in binary Al–Mg alloys. Acta Materialia, 60, 1528–1537 https://doi.org/10.1016/j.actamat.2011.11.044
Sreekumar, V.M., Babu, N.H., Eskin, D.G. (2017). Potential of an Al-Ti-MgAl2O4 Master Alloy and Ultrasonic Cavitation in the Grain Refinement of a Cast Aluminum Alloy. Metallurgical and Materials Transactions B, 48, 208–219. https://doi.org/10.1007/s11663-016-0824-5
Li, J., Jiang, X., Shao, Z., et al. (2015). Microstructure and Mechanical Properties of Multiphase Strengthened Al/Si/Al2O3/SiO2/MWCNTs Nanocomposites Sintered by In Situ Vacuum Hot Pressing. Journal of Nanomaterials, 2015, 589754-1–589754-9. https://doi.org/10.1155/2015/589754
Yoshikawa, N., Yamaguchi, H., Kitahara, G., Taniguchi, S. (2003). Utilization of Al Scrap for Fabrication of Al(alloy)/Al2O3 Composite Material. Materials Transactions, 44(7), 1271–1275. https://doi.org/10.2320/matertrans.44.1271
Lee, M., Choi, Y., Matsugi, K. (2014). Effect of SiO2 amount on microstructures and tensile properties of alumina short fiber-reinforced composites by low-pressure infiltration method. Journal of Composite Materials, 48(27), 3435–3441. https://doi.org/10.1177/0021998313509867
Deshmukh, P.Y., Peshwe, D.R., Bhatt, J., Pathak, S.U. (2011). Synthesis and Characterization of Al–Mg–SiO2 Particulate Composite Using Amorphous SiO2 from Rice Husk Ash. Transactions of the Indian Institute of Metals, 64(6), 575–581. https://doi.org/10.1007/s12666-011-0083-8
Sreekumar, V.M., Pillai, R.M., Pai, B.C., Chakraborty, M. (2008). Evolution of MgAl2O4 crystals in Al-Mg-SiO2 composites. Applied Physics A, 90, 745–752. https://doi.org/10.1007/s00339-007-4357-2
Sreekumar, V.M., Babu, N.H., Eskin, D.G., Fan, Z. (2015). Development of New Oxide Based Master Alloys and their Grain Refinement Potency in Aluminium Alloys. Materials Science Forum, 828–829, 23–28.
Mohan, S., Gautam, G., Kumar, N. (2015). Dry sliding wear behavior of Al-SiO2 composites. Proceedings of Malaysian International Tribology Conference, 115–116.
Siddhi Jailani, H., Rajadurai, A., Mohan, B., Sornakumar, T. (2015). Evaluation of Drilled Hole Quality of Al-Si Alloy/Fly Ash Composites Produced by Powder Metallurgical Technique. Indian Journal of Engineering and Materials Science, 22, 414–420.
Zuhailawati, H., Samayamutthirian, P., Mohd Haizu, C.H. (2007). Fabrication of Low Cost of Aluminium Matrix Composite Reinforces with Silica Sand. Journal of Physical Science, 18(1), 47–55.
Adeosun, S.O., Osoba, L.O., Taiwo, O.O. (2014). Characteristics of Aluminum Hybrid Composites. International Journal of Chemical, Molecular, Nuclear, Materials and Metallurgical Engineering, 8(7), 731–738.
Haßlinger, U., Hartig, C., Hort, N., Krüger, L., Kilian, H. (2013). Microstructure and Mechanical Properties of a Hypereutectic Aluminium–Silicon Alloy with Addition of Scandium. In: Granfield, J.F., Eskin, D.G. (eds) Essential Readings in Light Metals. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48228-6_51
Ureña, A., Escalera, M.D., Rodrigo, P., et al. (2011). Active coatings for SiC particles to reduce the degradation by liquid aluminium during processing of aluminium matrix composites: Study of interfacial reactions. Journal of Microscopy, 201(2), 122–136. https://doi.org/10.1046/j.1365-2818.2001.00765.x
Saravanan, C., Subramanian, K., Ananda Krishnan, V., Sankara Narayanan, R. (2015). Effect of Particulate Reinforced Aluminium Metal Matrix Composite: A Review. Mechanics and Mechanical Engineering, 19(1), 23-30.
Krishnaraj, S., Elatharasan, G. (2016). Experimental and Numerical Investigation of Al 6061 Alloys Reinforced with SiC-TiO2. International Journal of Mechanical and Production Engineering, 4(11), 50–56.
Lazarova, R., Bojanova, N., Dimitrova, R., et al. (2016). Influence of Nanoparticles Introducing in the Melt of Aluminum Alloys on Castings Microstructure and Properties. International Journal of Metalcasting, 10(4), 466–476. https://doi.org/10.1007/s40962-016-0033-7
Tronche, A., Vandyoussefi, M., Greer, A.L. (2002). Instability of TiC particles in aluminium melts inoculated with an Al–Ti–C grain refiner. Materials Science and Technology, 12,1072–1078. https://doi.org/10.1179/026708302225006034
Vandyoussefi, M., Worth, J., Greer, A.L. (2000). Effect of Instability of TiC Particles on Grain Refinement of Al and Al–Alloys by Addition of Al–Ti–C Inoculants. Materials Science and Technology, 16, 1121–1128. https://doi.org/10.1179/026708300101507046
Nie, J., Ma, X., Ding, H., Liu, X. (2009). Microstructure and grain refining performance of a new Al–Ti–C–B master alloy. Journal of Alloys and Compounds, 486, 185–190. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.06.190
Nazaruddin, A. (2015). Effect of Addition of Nanoparticles on the Mechanical Properties of Aluminium. International Journal of Engineering Research & Technology, 4(8), 268–272. https://www.ijert.org/research/effect-of-addition-of-nanoparticles-on-the-mechanical-properties-of-aluminium-IJERTV4IS080371.pdf
El Mahallawi, I.S., Shash, A.Y., Amer, A.E. (2015). Nanoreinforced Cast Al-Si Alloys with Al2O3, TiO2 and ZrO2 Nanoparticles. Metals, 5, 802–821. https://doi.org/10.3390/met5020802
Shash, A.Y., El Mahallawi, I.S., Amer, A.E. (2017). Options for Nanoreinforced Cast Al–Si Alloys with TiO2 Nanoparticles. In Properties and Characterization of Modern Materials (pp.1-12). Singapore: Springer Science+Business Media.
Wang, Q., Cui, C., Wang, X., et al. (2017). Effect of Preparation Parameter on Microstructure and Grain Refining Behavior of In Situ AlN-TiN-TiB2/Al Composite Inoculants on Pure Aluminum. Metals, 7(2), 56, 1–13. https://doi.org/10.3390/met7020056
Wróbel, T., Szajnar, J., Bartocha, D., Stawarz, M. (2013). The Stand of Horizontal Continuous Casting of Al and its Alloys. Archives of Foundry Engineering, 13 (3), 113–118. https://doi.org/10.2478/afe-2013-0071
Wróbel, T., Szajnar, J., Bartocha, D., Stawarz, M. (2015). Structure and Usable Properties of Aluminum Continuous Ingots. Archives of Foundry Engineering, 15 (3), 85–90. https://doi.org/10.1515/afe-2015-0066
Senapati, A., Senapati, A., Mishra, O. (2014). A Review on Al-Si Alloy as a Matrix Material for MMCs. International Journal of Advance Foundation and Research in Science & Engineering, 1 (2), 13–21.
Radhika, N., Raghu, R. (2016). Abrasive Wear Behaviour of Monolithic Alloy, Homogeneous and Functionally Graded Aluminium (LM25/AlN and LM25/SiO2) Composites. Particulate Science and Technology, 1–11. https://doi.org/10.1080/02726351.2016.1199074
Эйнштейн, A., Смолуховский, M. (1936). Брауновское движение. Сборник статей. ОНТИ, 608 с.
Чалмерс, Б. (1968). Теория затвердевания. Металлургия, 289 с.
Tolman, R.C. (1949). The Effect of Droplet Size on Surface Tension. The Journal of Chemical Physics, 17 (3), 333–337. https://doi.org/10.1063/1.1747247
Tiller, W.A., Takanashi, T.R. (1969). The Electrostatic Contribution in Heterogeneous Nucleation Theory: Pure Liquids. Acta Metallurgica, 17 (4), 483–496. https://doi.org/10.1016/0001-6160(69)90030-3 .
Rocker, G., Göpel, W. (1987). Titanium Overlayers on TiO2(110). Surface Science, 181, 530–558. https://doi.org/10.1016/0039-6028(87)90204-4
Okamoto, S., Ohno, Y., Maehashi, K., et al. (2012). Immunosensors Based on Graphene Field-Effect Transistors Fabricated Using Antigen-Binding Fragment. Japanese Journal of Applied Physics, 51, 06FD08-1–06FD08-4. https://doi.org/10.1143/JJAP.51.06FD08
Maier, J. (1987). Defect Chemistry and Ionic Conductivity in Thin Films. Solid State Ions, 23, 59–-67. https://doi.org/10.1016/0167-2738(87)90082-8
Jimenéz-Gonzaléz, A., Schmeisser, D. (1991). Preparation and Spectroscopic Characterization of γ-Al2O2 Thin Films. Surface Science, 250, 59–70.
Downloads
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2024 В.О. Щерецький
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
