Композиционный материал на основе алюминиевого сплава

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Андрушевич Андрей Александрович Чурик Михаил Николаевич Казаневская Ирина Николаевна Свидунович Николай Александрович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(57) Композиционный материал на основе алюминиевого сплава, содержащий углеродный материал, отличающийся тем, что содержит алюминиевый сплав, включающий магний,кремний, марганец, медь, никель, титан и алюминий, и нанодисперсный углеродный материал, при следующем соотношении компонентов, мас.магний 0,8-1,3 кремний 11,0-13,0 марганец 0,3-0,6 медь 1,5-3,0 никель 0,8-1,3 титан 0,05-0,30 нанодисперсный углеродный материал 0,01-0,50 алюминий остальное. Полезная модель относится к области металлургии, в частности к литейным сплавам на основе алюминия. Алюминиевые литейные сплавы с повышенным содержанием кремния эвтектического и заэвтектического типов находят широкое применение для изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания. Они имеют повышенную жаропрочность, достаточную усталостную прочность при высоких других физико-механических свойствах. В настоящее время для обеспечения требований, предъявляемых к поршням, используют сложнолегированные алюминиевые сплавы с селектированным содержанием примесей, что приводит к удорожанию отливок Строганов Г.Б. и др. Сплавы алюминия с кремнием. - М. Металлургия, 1977. - С. 196-197. Известен алюминиевый сплав следующего химического состава, мас.Курдюмов А.В. и др. Производство отливок из сплавов цветных металлов. - М. МИСИС, 1996. - С. 127129. 10754 1 2008.06.30 кремний 4,5-6,5 медь 6,0-8,0 магний 0,2-0,5 алюминий остальное. Однако литейные свойства (жидкотекучесть, линейная усадка) сплава недостаточны для получения необходимых характеристик поршня. Повышенное содержание железа в виде примеси существенно снижает его прочностные свойства. Кроме того, износостойкость поршней из этого сплава невысока. Наиболее близко к описываемой полезной модели по техническим оценкам и достигаемому результату относится алюминиево-кремниевый сплав АК 12 М 2 МгН - силумин с повышенным содержанием кремния, содержащий мас.ГОСТ 1583-93, с. 6 кремний 11,0-13,0 марганец 0,3-0,6 магний 0,8-1,3 медь 1,5-3,0 никель 0,8-1,3 титан 0,05-0,2 алюминий остальное. Силумины обладают сравнительно низкой пластичностью и недостаточной прочностью при повышенных температурах. Это связано с неблагоприятной формой (игольчатой или пластинчатой) кристаллов кремния и полным отсутствием в них диффузионных процессов. Известно, что состояние структуры алюминиевых сплавов оказывает существенное влияние на механические свойства отливок. Задачей данного изобретения является увеличение механической прочности при повышенных температурах и износостойкости получаемых литьем в кокиль поршней при снижении трудозатрат на их изготовление. Указанный результат достигается тем, что композиционный материал на основе алюминиевого сплава, содержащий углеродный материал, содержит алюминиевый сплав,включающий магний, кремний, марганец, медь, никель, титан и алюминий, и нанодисперсный углеродный материал при следующем соотношении компонентов, мас.магний 0,8-1,3 кремний 11,0-13,0 марганец 0,3-0,6 медь 1,5-3,0 никель 0,8-1,3 титан 0,05-0,3 нанодисперсный углеродный материал 0,01-0,5 алюминий остальное. В качестве нанодисперсного углеродного материала сплав содержит многослойные углеродные трубки, состоящие из углеродных волокон размером 50-100 нм с отдельными включениями толстых углеродных волокон размером до 1 мкм, а также содержит примеси , , , , , . Многослойные углеродные трубкиполучены из смеси природного газа (метана) с воздухом в плазме высоковольтного разряда атмосферного давления на экспериментальной установке с плазмохимическим реактором. Экспериментально установлено, что наибольшая прочность и износостойкость обеспечиваются в случае, когда объем локальных наноструктурированных зон в алюминиевокремниевом сплаве составляет 0,5-5,0 с размерами отдельных структурных составляющих в них 10-100 нм. В предлагаемом сплаве по сравнению с прототипом существенно возрастает механическая прочность и износостойкость при повышенных температурах за счет дополнитель 2 10754 1 2008.06.30 ного введения нанодисперсного углеродного материала. Содержание титана в пределах 0,05-0,3 позволяет сохранить пластичность и повысить физико-механические свойства. Комплексное легирование алюминиевого сплава кремнием, марганцем, медью, магнием, никелем, титаном упрочняет металлическую основу, изменяет структуру и повышает твердость алюминиевой матрицы и вязкость разрушения. Кремний, как основной легирующий элемент, является фазой упрочнителем в силуминах, повышает прочность и износостойкость, а также обеспечивает в заданном диапазоне 11-13 хорошие литейные свойства эвтектического сплава. Легирование медью в количестве 1,5-3,0 оказывает положительное влияние на дисперсность алюминиевой матрицы, измельчая дендриты, и повышает твердость и прочность, увеличивает жаропрочность сплава. При содержаниименее 10-11 жидкотекучесть сплава уменьшается, а при высоких содержаниях более 13 значительно снижается относительное удлинение - пластичность сплава. Марганец служит для нейтрализации вредного влияния железа, уменьшая охрупчивание сплава и повышения его пластичности. Магний совместно с медью образует упрочняющие фазы, определяющие механические свойства силумина, особенно после термической обработки, в результате образования интерметаллического соединения 2 с высокой микротвердостью. Никель также повышает жаропрочность силуминов за счет подавления процессов фазовой перекристаллизации, позволяет сохранять прочностные свойства сложнолегированного силумина при повышенной температуре. Титан введен как эффективный микролегирующий и модифицирующий элемент, обеспечивающий получение дисперсной структуры твердого раствора алюминия и измельчение других фазовых составляющих. Титан резко снижает содержание растворимых в сплаве газов (кислород, азот, водород, связывая их в стойкие соединения - оксиды, нитриды, гидриды, равномерно распределенные в металлической матрице). Алюминиевый сплав требуемого состава получали в индукционной печи ИСТ-016 с графитовым тиглем. Плавку вели в течение 0,5-0,6 ч при температуре 750-800 С. В расплав алюминиевого сплава с содержанием кремния 11-13 , марганца 0,3-0,6 , меди 1,53,0 , магния 0,8-1,3 , никеля 0,8-1,3 , нагретый до 850-900 С, вводили титан ВТ 1 в виде стружки. Осуществляли выдержку 0,15-0,2 ч, охлаждали с перемешиванием до температуры заливки 750-780 С и разливали в стальную металлическую форму (кокиль) для получения образцов размерами 40 мм и длиной 150 мм. Рабочую поверхность кокиля предварительно подогревали до 250-300 С и окрашивали меловой краской. Образцы подвергали однократной импульсной обработке зарядом взрывчатого вещества аммонита 6 ЖВ. Ударное нагружение осуществляли по схеме сверхглубокого проникания высокоскоростным потоком рабочего вещества, содержащего в смеси наноуглеродный материал в количестве 0,05-0,6 от массы. Составы полученных сплавов приведены в таблице. Определяли на вырезанных и обработанных образцах механические свойства предел прочности при 20 С и 250 С, твердость по Бринеллю - по ГОСТ 22761-77. Испытания на износостойкость проводили на машине МТ-2 на образцах диаметром 10 мм и высотой 15 мм. В качестве контртела использовали диск диаметром 130 мм из серого перлитного чугуна твердостью 98-100 . Интенсивность изнашивания образцов и контртела определяли через 1, 3 и 5 ч испытаний при удельной нагрузке 3 МПа, скорость перемещения зоны трения контртела относительно образцов 2,8 м/с в условиях капельной смазки. Приработка образцов проводилась при постепенном нагружении от 0,5 до 3,0 МПа. Прочность при растяжении и относительное удлинение при 20 С и 250 С определяли на универсальной испытательной машине 1195 (Англия). Для сравнения те же свойства определены для алюминиевого сплава, не содержащего нанодисперсный материал. Результаты испытаний представлены в таблице. 3 10754 1 2008.06.30 Пример 1. Получали силумин с содержанием кремния - 11,0 , марганца - 0,3 , меди - 1,5 , магния - 0,8 , никеля - 0,8 , титана - 0,05 , нанодисперсного углеродного материала - 0,01, алюминий - остальное в индукционной печи ИСТ-016 с нагревом расплава до 760 - 780 С. Разливали приготовленный сплав после выдержки и охлаждения до температуры заливки 750 С в стальной кокиль и получали образцы диаметром 40 мм,длиной 150 мм. Образцы подвергали импульсной взрывной обработке в режиме сверхглубокого проникания потоком порошковых частиц, содержащих нанодисперсный углеродный материал. Значения свойств сплава приведены в таблице. Изучение микроструктуры сплавов, известного и с введением наноуглеродного материала, показало, что в предлагаемом сплаве размеры эвтектического кремния и кристаллов первичного кремния уменьшаются, в среднем, в 1,5-2 раза при использовании импульсной взрывной обработки, с одновременным изменением формы в результате дробления от прямых игл до отдельных квадратных включений. Пример 2. Получали силумин с содержанием кремния - 12,2 , марганца - 0,5 , меди - 2,0 , магния - 0,9 , никеля - 1,0 , титана - 0,1 , нанодисперсного углеродного материала - 0,1, алюминий - остальное в индукционной печи ИСТ-016 с нагревом расплава до 760-780 С. Разливали приготовленный сплав после выдержки и охлаждения до температуры заливки 750 С в стальной кокиль и получали образцы диаметром 40 мм, длиной 150 мм. Образцы подвергали импульсной взрывной обработке в режиме сверхглубокого проникания потоком порошковых частиц, содержащих нанодисперсный углеродный материал. Значения свойств сплава приведены в таблице. Изучение микроструктуры сплавов, известного и с введением наноуглеродного материала, показало, что в предлагаемом сплаве размеры эвтектического кремния и кристаллов первичного кремния уменьшаются, в среднем, в 2-3 раза при использовании импульсной взрывной обработки, с одновременным изменением формы в результате дробления от прямых игл до отдельных квадратных включений. Пример 3. Получали силумин с содержанием кремния - 13,0 , марганца - 0,6 , меди - 3,0 , магния - 0,8 , никеля - 1,3 , титана - 0,3 , нанодисперсного углеродного материала - 0,5, алюминий - остальное в индукционной печи ИСТ-016 с нагревом расплава до 780-800 С. Разливали приготовленный сплав после выдержки и охлаждения до температуры заливки 750 С в стальной кокиль и получали образцы диаметром 40 мм, длиной 150 мм. Образцы подвергали импульсной взрывной обработке в режиме сверхглубокого проникания потоком порошковых частиц, содержащих нанодисперсный углеродный материал. Значения свойств сплава приведены в таблице. Состав, механические свойства алюминиевых сплавов п/п Химический состав,Механические свойства Нанодис 20250,в в углеродный МПа МПа материал Известный сплав 1,5 0, 8 0,8 0,05 Ост. 190 10-12 0,5 3,0 1,0 1,3 0,2 Ост. 195 10-13 0,5 Предлагаемый сплав 1,5 1,3 0,8 0,05 0,01 Ост. 192 12-14 0,6 2,0 0,9 1,0 0,1 0,1 Ост. 224 13-15 0,7 3,0 0,8 1,3 0,3 0,5 Ост. 229 14-17 0,8 Сплав с запредельными значениями элементов 2,0 0,6 0,8 0,1 0,1 Ост. 185 10-12 0,5 3,0 1,0 0,6 0,3 0,5 Ост. 196 11-12 0,4 10754 1 2008.06.30 Как видно из таблицы, механические свойства предлагаемого сплава возрастают предел прочности на 20-25 , относительное удлинение в 1,3-1,5 раза, износ уменьшается на 15-40 . Одновременно повышается плотность образцов, что увеличивает герметичность литья. Модифицирующий эффект устойчиво сохраняется после ввода нанодисперсного материала в течение всего периода эксплуатации отливки. При использовании запредельных значений легирующих элементов импульсная обработка силуминов потоком углеродсодержащих частиц не приводит к повышению их механических свойств и износостойкости (таблица, п/п 6, 7). Предлагаемый алюминиево-кремниевый сплав имеет лучшие механические свойства при сохранении технологических литейных характеристик. Износостойкость литых заготовок повышается почти в 2 раза без дополнительных энерго- и трудовых затрат на термическую обработку. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5