Влияние наночастиц на структуру и механические свойства алюминиевых сплавов

шинстве работ по данной тематике используется небольшой набор нанопорошков, чаще всего представленный оксидом кремния, который характеризуется наименьшим углом смачивания жидким металлом. В результате ограниченным оказывается применение других перспективных наноматериалов – нанотрубок, наноалмазов, электровзрывных керамических порошков и др., содержащих частицы значительной прочности и высокой дисперсности.

В данной работе авторами использована технология внутриформенного модифицирования, позволяющая улучшить усвоение широкого спектра НЧ жидким алюминиевым расплавом и быстро оценить их влияние на структуру отлитого металла [5]. В первой части экспериментов по этой технологии изготавливали образцы литьем в песчаную форму с использованием восьми видов порошков. Во второй части с использованием отобранных порошков отливали образцы в кокиль для испытаний на твердость.

• 1.    Экспериментальная часть

  • 1.1.    Внутриформенное модифицирование при литье в песчаную форму

Технология внутриформенного модифицирования позволяет вносить частицы в расплав непосредственно при заливке. Схема литейной 6-позиционной формы приведена на рис. 1.

Металл при такой схеме заполняет форму, насыщаясь модификатором, что обеспечивает возможность быстрого заполнения из одного ковша нескольких форм. Фильтры предотвращают расплав от загрязнения.

Модификатор в виде таблетки изготавливали путем перемешивания медного порошка марки ПМС-1 с используемыми нанопорошками в шаровой мельнице в течение 5 мин в соотношении 5 к 1 по массе. Массу таблетки выбирали так, чтобы содержание порошков в матрице составляло 0,1 масс. %, при котором возможно достижение упрочнения без потери пластичности [7].

С помощью данного способа было получено 10 групп образцов, содержащих различные нанопорошки; состав модификаторов приведен ниже:

• 1)    Медь, ПМС-1 (без углеродных добавок); 2) медь + технический углерод (ГОСТ 7885-86); 3) медь + технический углерод термообработанный; 4) медь + многослойные углеродные на-

  
• Рис. 1. Пресс-форма для изготовления литейных форм: 1 – керамические фильтры; 2 – модификатор в алюминиевой фольге; 3 – образец на растяжение; 4 – образец для микроструктурных и дюраметрических исследований и для проведения химического анализа

  нотрубки (УНТ) производства института катализа г. Новосибирск; 5) медь + однослойные УНТ производства компании «OcSiAl»; 6) медь + ультрадисперсный алмазографитовый порошок детонационного синтеза, полученный по красноярской технологии (УДП-АГ – ТУ 40-206791001-91); 7) медь + ультрадисперсный алмазный порошок (УДП-А – по ТУ 3974-001-10172699-94); 8) медь + карбид бора наноразмерный (СибГИУ г. Новокузнецк); 9) медь + механоактивирован-ный графит (ИЦМИМ СФУ); 10) контрольный образец без модификатора.

Медь была выбрана как пластичный и непирофорный материал, способный эффективно образовывать покрытия на керамике при помоле в шаровой мельнице, что улучшает смачивание порошков. В качестве матричного металла был использован сплав алюминия с кремнием марки АК12. Температура сплава при разливке составляла 720 °С. После заливки и охлаждения заготовок из них вырезали образцы для исследования структуры и механических свойств [8].

Во всех образцах, содержащих НЧ, наблюдалось уменьшение размера зерна (определенное по ГОСТ 21073.0-75), величина которого и коэффициент модифицирования К представлены на рис. 2 и 3.

K = D/d. (1)

где D - величина зерна образца без модификатора (№10), мкм; d - величина зерна модифицированного образца, мкм.

Видим, что наибольшего измельчения удалось достичь при использовании углеродных наноматериалов и карбида бора. Это можно объяснить тем, что данные материалы обладают наибольшей дисперсностью и при попадании в расплав создают большое количество центров кристаллизации.

При исследовании макроструктуры у некоторых образцов было выявлено наличие дефектов газоусадочного характера и неравномерность структуры в осевом направлении. Это связа-

Рис. 2. Величина зерна в структуре образцов

Рис. 3. Коэффициент K

Рис. 4. Микроструктура базового (слева) и модифицированного наноалмазами (справа) сплава АК12

но с отсутствием перемешивания, усадкой при литье в песчаную форму, наличием адсорбированных газов на поверхности НЧ, которые не успевают выйти до затвердевания.

Микроструктура всех образцов представляет структуру силумина эвтектического состава, которая состоит из доли α-твердого раствора алюминия и немодифицированной эвтектики (рис. 4).

Вырезка образцов для испытаний механических свойств после разрыва проводилась из «донной» части исследуемых образцов по 4 штуки от каждого. Результаты испытаний представлены на рис. 5. Исследование изломов разрывных образцов показало присутствие в структуре дефектов в виде пор, разрушения имеют идентичный хрупкий характер (рис. 6). Уровень относительного удлинения всех представленных образцов не превышает 2 %.

Из-за повышенного содержания адсорбированных газов в порошках с наивысшей удельной поверхностью – нанотрубках, карбиде бора и наноалмазах прочность образцов с этими модификаторами оказалась самой низкой из всех, несмотря на минимальный размер зерен, зафиксированный в этих образцах.

Рис. 5. Уровень механических свойств образцов

Рис. 6. Изломы образцов после испытаний на разрыв

• 1.2.    Литье в кокиль

Во второй части экспериментов проводилось литье в кокиль. Из используемых порошков были отобраны УДП-А и УДП-АГ, при применении которых были получены хорошие результаты уменьшения зерна. Кроме того, эти материалы обладают относительно низкой стоимостью и могут производиться в больших масштабах по сравнению с нанотрубками. Также использовался оксид алюминия электровзрывного синтеза (производства Института сильноточной электроники, г. Томск).

Изучение гранулометрического состава наноалмаза и оксида алюминия проводилось путем осаждения в дисковой центрифуге CPS 24000. Метод основан на седиментации частиц в жидкости и отличается от других методов высоким разрешением, точностью и широким диапазоном измерения. Главный элемент центрифуги – диск, в котором происходит осаждение суспензии исследуемого вещества от центра до края в центробежном поле сил, создаваемым вращением со скоростью до 24000 об/мин. На рис. 7 представлено распределение порошка УДП-А по размерам.

На распределении виден пик 12 нм и небольшой пик ближе к началу координат, который плохо различим на данном рисунке. Если ограничить ось абсцисс областью в начале координат и растянуть, то вид распределения преобразуется в изображенный на рис. 8.

Здесь малый пик 4 нм хорошо различим. Он, вероятно, являет собой первичные неагреги-рованные частицы [9].

На рис. 9 представлено распределение порошка оксида алюминия.

Наибольшее количество частиц здесь имеет двойной пик – 15 и 20 нм.

Для литья использовался первичный алюминий марки А7, который нагревали в титановом тигле до температуры 790 °С, после чего в расплав помещали таблетку-модификатор, изготов-

Рис. 7. Гранулометрический состав порошка УДП-А

Рис. 8. Гранулометрический состав порошка УДП-А (часть графика до 0,1 мкм)

Рис. 9. Гранулометрический состав порошка AI 2 O 3 электровзрывного синтеза

ленную так же, как и при первом эксперименте. Расплав выдерживали 15 мин и затем разливали в кокиль. Во время выдержки модификатор растворялся, и газам было достаточно времени для выхода из расплава. Образцы отливались с двумя массовыми содержаниями каждого порошка – 0,05 и 0,1 %.

Макроструктура и размер зерен отлитых образцов приведен на рис. 10 и 11.

В образце, содержащем НЧ Al2O3 удалось достичь 10-кратного уменьшения зерен.

УДП-А, 0,05 %

УДП-АГ, 0,1 %

УДП-АГ, 0,05 %

Контрольный

Al 2 O 3 , 0,05 %

Al 2 O 3 , 0,1 %

УДП-А, 0,1 %

Рис. 10. Макроструктура отлитых в кокиль образцов

Рис. 11. Размер зерна образцов

Таблица. Твердость образцов, отлитых в кокиль

Модификатор	Контрольный образец	УДП-А, 0,05 %	УДП-А, 0,1 %	УДП-АГ, 0,05 %	УДП-АГ, 0,1 %	Al 2 O 3 , 0,05 %	Al 2 O 3 , 0,1 %
Твердость, HB	24,1	27,9	28,5	25,0	30,1	24,2	30,1
Предел прочности σ в, МПа (расчет)	87,2	101,0	103,2	90,5	109,0	87,6	109,0

Твёрдость образцов, измеренная по методу Бринелля, приведена в таблице. В третьей колонке даны значения временного сопротивления, рассчитанные по соотношению [10]

ав = 3,62НВ(МРа). (2)

Можно видеть, что все модифицированные образцы обладают повышенной твёрдостью. Таким образом, используемые наноматериалы являются эффективными добавками для увеличения твердости (следовательно, и износостойкости) и механической прочности алюминия.

Заключение

Исследовано модифициравание алюминиевых сплавов с помощью метода внутриформен-ного введения нанопорошков. Наиболее перспективные модификаторы были выбраны для получения упрочненных образцов.

При литье в кокиль с помощью добавок нанопорошков удалось достичь уменьшения размера зерна в полученных сплавах до 10 раз. Значения твердости, полученные в модифицированных образцах, на 20-25 % выше, чем у базового сплава.

Дальнейшие исследования могут быть направлены в сторону подбора оптимального гранулометрического состава нанопорошков, что может улучшить их инокулирующую способность [11] и в большей степени измельчить структуру.