Исследование влияния состава псевдолигатуры Cu-SiC на процесс получения новых жаропрочных алюминиевых композиционных материалов

Композиционные материалы и изделия на алюминиевой основе отличаются достаточно высокими механическими характеристиками, а так же хорошей технологичностью для машин деталей р азлич ного назначения.

В настоящее время известны различные способы введения дисперсных упрочняющих частиц в алюм иниевую матрицу: твердофазное спекание и жидкофаз ные методы с модифицированием [1-5].

Модифицирование является одним из известных способов изменения структуры различных промышленных сплавов, в том числе и на основе алюминия. Например, введение в расплав металла небольшой добавки карбида SiC в виде мелких частиц позволяет измельчить структуру отливки и тем улуч шить её м еханические свойства[1.]

Компо зици онные матер иалы, упрочненные порошком карбида кремния применяются в различных областях авиастроения, машиностроения, станкостроения. Применение таких композиционных материалов вместо обычных конструкционных позволит перейти на более высокий технический уровень[6,7].

Для введения SiC в состав композита может быть использован нанопор ошок SiC,полученной по азидной технологии самораспространяющего-ся высокотемпературного синтеза. При этом для введения в расплав используют нанопорошковые псевдолигатуры, представляющие собой брикеты, спрессованные из нанопорошков SiC и порошка-носителя: медь, никель, алюминий [8,9,10].

Для получения нового алюминиевого композиционного материала были проведены экспериментальные плавки при различных температурах 750 °С, 850 °С и 950°С. Плавление проводилось в плавильной печи с цифровым терморегулятором с максимальной температурой 1200°С и макси-

мальной загрузкой тигля 2000 гр. В алюминиевый сплав А7 вводились лигатуры состава Cu-2,5%SiC в виде брикетов, полученных путем прессования с различными удельны ми давлениями от 0,1 до 0,35 МПа. Введение лигатуры проводилось механическим замешиванием в расплав жидкого алю миния.

Полученные в результате плавления образцы в виде цилиндрических столбиков диам етром 15 мм и массой 100 граммо в подвергались микроструктурному исследованию, испытаниям на твердость на приборе Роквелла по шкале В, а также проводили химический анализ образцов. По результатам микроисследования, проведенного на аналитическом сканирую щем микроскопе TESCAN VEGA, полученных слитков, видно что лигатура выделяется по границам зерен алюм и-ния, что видно из рис. 1.

Результаты микроисследования, полученных слитков, показали, что кремний в структур е проявляется в очень малом количестве. Медь, которая является носителем для SiC, не растворяется, а выделяется по гра ницам зерен алюм и-ния и в небольших количествах по объему зерна. Количество растворенной меди в образцах соответствует составу, введенной псевдолигатуры. Такие элементы как серебро и кислород являются постоянным и примесями в сплавах алю миния. Химический состав образцов, определялся на аналитическом сканирующем электронном микроскопе с больш ой камерой и увеличенным моторизованным столиком методом EDS на этом же микроскопе TESCAN VEGA и представлены на рис. 1 и в табл. 1.

Карты распределения основных элементов всех образцов примерно одинаковы, из них видно, что распределение алюминия и углерода равномерное по всему объему, а медь располагается по границам зерен. На рис. 2, 3, 4, представлены образцы, в котор ых в незначительных количествах есть кремний.

На получение литой структуры большое вли-

Рис. 1. Микроструктура образ цов, полученных при литье.

Увеличение *200. а – образец 1; б – образец 2; в – образец 3; г – образец 4; д – образец 5; е – образец 6 (номера образцов, соответствуют табл. 1)

яние оказывает как давление прессования брикетов, так и способ перемешивания порошков.

Изломы всех образцов имеют хрупкий ха- рактер. Хрупкий излом имеет кристаллическое строение, происходит практически без предварительной пластической деформации, в нем можно

Рис. 2. Карта распределение основных элементов образца № 2

Таблица 1. Химический состав, полученных при плавке образцов

№ образца	Алюминий,%	Медь,%	Углерод, %	Кремний,%	Серебро, %	Кислород,%
1.	89,72	3,64	4,29	-	0,54	1,67
2.	88,77	1,61	3,62	0,39	2,19	2,8
3.	79,89	0,66	7,76	0,14	0,87	10,67
4.	77,57	4,00	8,51	-	0,87	8,87
5.	86,52	0,03	4,89	0,10	1,05	7,40
6.	85,66	1,01	3,32	-	1,42	8,58

Si Kai                                       CKalJ

Рис. 3. Карта распределение основных элементов образца № 3

Рис. 4. Карта распределение основных элементов образца № 5

Рис. 5. Распределение твердости по боковой поверхности образцов

различить форму и размер зерен металла. Хрупкий излом характерен для достаточно твердых материалов, что соответствует замеренным значениям твердости. Исследование твердости проводилось по боковой поверхности образцов от донного торца с шагом 5 мм на приборе Ровелла по шкала В с нагрузкой 100 кг стальным шариком.

Высокие значения твердости в отдельных точках, свидетельствуют о наличии не растворившихся частиц лигатуры. Распределение твердости по длине образцов показано на рис. 5.

С увеличение твердости происходит и увеличение прочности.

Влияние температуры расплава на прочность, получаемых материалов Al-SiC имееn специфический характер. С повышением температуры прочность заметно возрастает. Так оптимальным режимом ввода лигатуры состава Cu-2,5% SiC является температура 750 °С при выдержке 2 часа, для лигатуры состава Cu-5% SiC температура 850 °С.

Применение такого упрочненного материала позволяет уменьшить массу деталей и элементов конструкций на 15-50%, в 1,5-2 раза повысить их жесткость и усталостные характеристики по сравнению с прототипными металлическими материалами (например титановыми и алюминиевыми сплавами), обеспечивая при этом повышение эффективности, конструкционной надежности [1].

Композиционные материалы и изделия на алюминиевой основе отличаются достаточно высокими механическими характеристиками и хорошей технологичностью для деталей машин различного назначения, однако практическое применение их остается на низком уровене [3].