CC BY
24
УДК 669.24/29.018:[539/25+539/26]
Д. В. Куис, А. Т. Волочко, А. А. Шегидевич, Н. А. Свидунович, А. В. Омелюсик, С. Н. Лежнев, Э. Р. Мухамедзянова, О. Н. Кузнецова
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ ПРИ ОБРАБОТКЕ АЛЮМИНИЕВОГО
РАСПЛАВА ЛИГАТУРАМИ, СОДЕРЖАЩИМИ УГЛЕРОДНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Ключевые слова: Al-C композиционные материалы, литейно-деформационная технология, силумин, механоактивация,
экструзия, лигатура.
Обработка алюминиевого расплава лигатурами, содержащими стеклоподобные углеродные частицы, позволяет получать композиты с повышенными пластическими, прочностными и триботехническими свойствами за счет улучшения структуры сплава основы. Структура получаемых композитов характеризуется высокой дисперсностью, при этом она более однородна и равномерна, а дендриты а-фазы слабо выражены. Изменение структуры сплава повышает износостойкость более чем в 5 раз, при этом интенсивность изнашивания находится в пределах lm=4,2-4,7-10-3мг/м.
Kew words: Al-C composite materials, casting-deforming technology, silumin, mechanical activation, extrusion, ligature.
Processing of aluminum composites by ligatures containing particles of amorphous glass-like carbon phase improves the structure of a base alloy and increases their plastic, strength and tribotechnical properties. The structure of composites is characterized by a higher dispersity and it is more homogeneous and uniform and а phase dendrites are hardly discernable. The alloy structure change increases wear resistance by a factor exceeding 5 and the intensity of wear-out is in the range lm=4.2-4.7-10'3 mg/m.
Введение
В настоящее время особое внимание, уделяется новым быстроразвивающимся направлениям, имеющим в перспективе широкое практическое применение, в том числе и разработкам в области получения материалов с повышенными физическими, механическими и эксплуатационными свойствами. Это обстоятельство обеспечило постоянно возрастающий интерес к композиционным материалам на металлической основе и, в частности к литым алюминиевым композитам с модифицированной структурой и упрочненным различными наполнителями.
В данных исследованиях предпринята попытка оценить возможность использования смешанных наноуглеродных форм (фуллереновая сажа, фуллереновая чернь) для получения необходимых свойств алюминиевого композита.
Основная часть
Для получения опытных образцов наномо-дифицированного композиционного материала на основе алюминия использовалась литейно-деформационная технология, разработанная в ГНУ «Физико-технический институт НАН Беларуси» [1], включающая смешивание порошковых компонентов шихты и проведение механоактивации полученной смеси, экструдирование шихты с получением лигатуры и получение композиционных материалов на основе алюминиевой матрицы при литье.
Образцы лигатур готовились из порошков алюминия с размером частиц основной фракции 5100 мкм или измельченной стружки сплава АК9 и ряда наноуглеродных материалов (фуллереновая сажа, фуллерены С60, фуллереновая чернь) в соотношении А1 - 10 мас. % С в исходной смеси.
Результаты исследований композиций А1-С и А1-Б1-С после экструдирования шихты показали, что в образцах выявлены необычные для алюминие-
вых сплавов сверхтвердые частицы серого цвета (рис. 1). Микрорентгеноспектральным анализом установлено, что сверхтвердые частицы серого цвета представляют собой углеродную фазу.
Такую фазу содержат все изготовленные с наноуглеродными добавками лигатуры - и с фулле-реновой сажей, и с фуллереновой чернью, и с фул-леренами С60. Анализ показал, что размеры, форма и количество особо твердой чисто углеродной фазы с высокой упругостью различны в лигатурах разных составов. При этом исследования не выявили принципиальных отличий в структурообразовании лигатур А1-С и А1-Б1-С, полученных с использованием дорогостоящих фуллеренов, в сравнении с лигатурами, полученными с использованием более дешевых наноуглеродных материалов, что делает их перспективными для промышленного освоения.
С помощью спектроскопии комбинационного рассеивания света нами установлено, что полученные сверхтвердые частицы серого цвета являются аморфным материалом, подобнымстекловидному углероду (рис. 2). Его твердость является изотропной - то есть одинаково высокой во всех направлениях.
При исследовании фазового состава определено, что в полученных с использованием наноуглеродных материалов (фуллеренсо-держащей сажи и черни) лигатурах иден-тифицируется незначительное количество карбидной
составляющей (А14С3 и (или) Б1С).
Таким образом, определено структурное превращение углерода с образованием в лигатурах новой аморфной фазы (стеклоуглерод) наряду с кар-бидообразованием. Такое структурное состояние полученных лигатур определяет перспективность их использования в качестве добавок, обеспечивающих не только дисперсное упрочнение, но и модифицирование сплава при создании композитов, отличающихся высоким комплексом свойств.
в
2000 -
а
0-
О ДО I ДО 2 ДО ЕДО 4Д0 5 ДО 5 ДО 7 ДО Б ДО 9 ДО 10 ДО
Элемент кэВ Масс.% Ошибка % Ат.%
С К 0.277 85.64 0.89 93.05
А1 К 1.486 14.36 0.49 6.95
Итого 100.00 100.00
Рис. 1 - Структура образцов лигатур А1-С: а-в - А1 рорентгеноспектрального анализа ЕБХ серой фазы
га» -]-
2000 -1Ю0 -
О -I-I-1-I-I-1-,-
О 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
V, 1/Ш1
Рис. 2 - Спектр комбинационного рассеяния света образца А1-10% С
Микроструктура алюминиевого сплава после обработки свидетельствует о равномерном модифицировании всех составляющих сплава, в том числе и эвтектической составляющей (рис. 3). Уста-
г
+ 10% фуллереновой черни, х500; г - результаты мик-в лигатуре А1 + 10% фуллереновой черни
новлено, что кристаллы эвтектического кремния измельчились в 4 раза, а ширина дендритов алюминиевой а-фазы уменьшилась в 3-3,5 раза. В сравнении с исходным силумином прочность литого композита при повышенных температурах увеличилась в 2 раза и составила почти 450 МПа, возросла твердость почти в 1,5 раза до 110 НВ, при этом пластические характеристики свидетельствуют о возможности дальнейшей пластической деформации литых заготовок (5 = 8-10%).
Проведенные триботехнические испытания показали, что введение в расплав стеклоподобных углеродных частиц способствует снижению интенсивности изнашивания в сравнении с исходным -матричным сплавом. Так, использование микрокристаллического графита позволяет снизить интенсивность изнашивания до /т=7,1-10-3 мг/м, что обеспечивает повышение износостойкости этого компози
б
Рис. 3 - Микроструктура сплава: а - исходного силумина; б - литого композита с использованием лигатуры
та в 3 раза по сравнению с матричным сплавом. Еще более выраженный эффект повышения износостойкости (более чем 5 раз) наблюдается при использовании наноуглеродных добавок, при этом интенсивность изнашивания получаемых композитов находится в пределах /т=4,2-4,7-10-3 мг/м.
Заключение
Таким образом, поэтапно изучены структурное состояние и свойства литых алюминиевых композитов, полученных с применением ультрадисперсного углеродсодержащего сырья. Такие материалы могут найти широкое применение при создании объектов новой техники, отличающихся высокими техническими характеристиками, в частности, для прецизионных деталей машиностроения, изделий, работающих на трение при повышенных нагру-зочно-скоростных условиях.
Литература
1. Волочко А. Т. Переработка и использование алюминиевых отходов в производстве порошков, паст, композиционных и керамических материалов. Минск: Бе-ларус. навука, 2006. - 302 с.
© Д. В. Куис - канд. техн. наук, доц., зав. каф. материаловедения и технологии металлов БГТУ, [email protected]; А. Т. Волочко - д-р техн. наук, зав. лабораторией микрокристаллических и аморфных материалов ФТИ НАН Белоруссии, [email protected]; А. А. Шегидевич - науч. сотр. лаборатории микрокристаллических и аморфных материалов ФТИ НАН Белоруссии, [email protected]; Н. А. Свидунович - д-р техн. наук, проф. каф. материаловедения и технологии металлов БГТУ, [email protected]; С. Н. Лежнев - к.т.н., проректор по учебной работе КГИУ, [email protected]; А. В. Омелюсик - магистрант БГТУ, [email protected]; Э. Р. Мухамедзянова - к.т.н., доцент каф. ТПМ КНИТУ; О. Н. Кузнецова - к.х.н., доцент каф. ТПМ КНИТУ.
© D. V. Kuis - Ph. D. of Technical Sciences, associate professor, head of the department materials science and metal technology, Belarussian State Technological University, [email protected]; A. T. Volochko - Doctor of Technical Sciences, head of the laboratory microcrystalline and amorphous materials, Physical-Technical Institute of National Academy of Sciences of Belarus, [email protected]; A. A. Shegidevich - researcher associate of the laboratory microcrystalline and amorphous materials, Physical-Technical Institute of National Academy of Sciences of Belarus, [email protected]; N. A. Svidunovich - Doctor of Technical Sciences, professor of the department materials science and metal technology, Belarussian State Technological University, [email protected]; S. N. Lezhnev - Ph. D. of Technical Sciences, Vice Rector for Academic Affairs, Karaganda State Industrial University, [email protected]; A. V. Omelysik - master student, Belarussian State Technological University, [email protected]; E. R. Muhamedzianova - associate professor of KNRTU; O. N. Kuznetsova - associate professor of KNRTU.
