УДК 538.539. 2 539.3

 

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЙ-КРЕМНИЕВОГО СПЛАВА И НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО УГЛЕРОДА

 

INVESTIGATION OF PROPERTIES OF COMPOSITES BASED ON ALUMINUM SILICON ALLOYS AND NANOSTRUCTURED CARBON

 

Волочко А.Т., Шегидевич А.А. (ФТИ НАН Беларуси, г. Минск, РБ)

A. Volochko, A. Shegidevich (Physical-Technical Institute of National Academy of Sciences of Belarus)

 

В работе рассмотрены вопросы применения различных видов углеродосодержащего сырья в качестве наполнителей при получении композитов с повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

 

The paper discusses the problems of using various kinds of raw materials as fillers for obtaining the composites with increased physical and mechanical properties and operating characteristics.

 

Ключевые слова: алюминий-кремниевый сплав, литейно-деформационная технология, механическая активация, экструдирование, лигатура.

Key words: aluminum silicon alloys, casting-deforming technology, mechanical activation, extrusion, ligature.

 

В машиностроении актуальной задачей остается поиск возможных путей создания новых материалов с повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Это обстоятельство обеспечило постоянно возрастающий интерес к композиционным материалам на металлической основе и, в частности, к литым алюминиевым композитам.

Анализ литературы показал, что получение такого вида композитов возможно с использование углеродосодержащего сырья различного структурного состояния (графит, фуллерены, нанотрубки, графен и др.).

Причем, как показывает практика, структурные изменения углерода могут происходить на различных стадиях технологического процесса получения конечного изделия. С участием углерода могут образовываться и химические соединения (типа карбида металлов). Выявленные особенности изменения структурного состояния углерода могут быть полезны для целенаправленного формирования свойств композитов.

Открытие новых наноструктурированных форм углерода, являющихся не только основными элементами структуры живой материи, заставляет пересмотреть функциональные представления о их применении в неживой природе. Их использование, по мнению некоторых экспертов, может означать грядущую технологическую революцию, в различных отраслях промышленности [1-3].

Несомненно, на данном этапе развития, актуальным является стоимость сырья и результат по свойствам конечного материала. Фуллерены и нанотрубки пока остаются достаточно дорогостоящими материалами и их использование носит ограниченный характер (к примеру, цена 1 грамма – от 20 долларов за экстракт С60 и С70, до 65 тысяч долларов за С84).

В связи с этим вопрос замены дорогостоящего фуллерена на более дешевый наноструктурированный углерод при создании новых материалов является актуальным.

В связи с вышеизложенным, цель настоящей работы заключалась в разработке и исследовании свойств новых композиционных материалов конструкционного назначения на основе алюминиевого сплава АК9 с использованием в качестве наполнителя наноструктурированного углерода – фуллереновой черни, фуллереновой сажи.

Фуллереновая сажа (ФС) – сажа, полученная дуговым методом испарением графита. Черный порошок, не растворим, насыпная плотность 0,25 г/см3, содержание фуллеренов – 11%.

Фуллереновая чернь (ФЧ) – фуллереновая сажа после извлечения смеси фуллеренов неполярными органическими растворителями и обработанная паром для удаления органического растворителя. Черный порошок, не растворим, насыпная плотность 0,5 г/см3, содержание фуллеренов не более 0,1%

Для получения опытных образцов композитов на основе алюминия использовалась литейно-деформационная технология, разработанная в ГНУ «Физико-технический институт НАН Беларуси» [4], 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 (технология in-suit) (рисунок 1).

 

Рисунок 1 – Литейно-деформационная технология получения литого алюминиевого композита и изделия из него

 

В процессе изготовления в лигатуре наблюдалось образование частиц серой фазы глобулярной формы, имеющих очень высокую микротвердость (невозможно измерение стандартными методами – алмазной пирамидкой). В дальнейшем данные частицы с помощью Рамановской спектроскопии идентифицированы как стеклоуглерод [5].

Следует отметить, что микроструктура алюминиевого сплава после обработки лигатурой свидетельствует о равномерном модифицировании всех структурных составляющих сплава, в том числе и эвтектической. При этом следует высказать предположение, что частицы стеклоуглерода, образовавшиеся после активации и экструдирования в лигатуре, при попадании в расплав диспергируются до ультрадисперсных наноразмерных частиц (технология in-suit). Такой вывод вытекает из следующих обстоятельств: так детальное изучение структуры стеклоуглеродной частицы показывает, что она имеет ячеистое строение (в виде «початка кукурузы»). Учитывая высокую термостойкость этой фазы, ее размер в лигатуре и то, что она не обнаруживается в литом композите, можно предположить, что она распадается на отдельные ячейки, служащие центрами кристаллизации, модифицирующие в целом структуру композита, улучшая его свойства. Установлено, что кристаллы эвтектического кремния измельчились в 4 раза, а ширина дендритов алюминиевой α-фазы уменьшилась в 3-3,5 раза (рисунок 2).

Структурные изменения существенно отражаются на свойствах получаемого композита. Повышение пластичности в 2–3 раза по сравнению со сплавом-основой (рисунок 3) дает возможность в последующем обработкой давлением создавать более сложные по конструкции изделия, проводить их термообработку и достигать требуемых свойств.

 

а                                    б

Рисунок 2 – Микроструктура сплава:

а) исходного силумина АК9, б) композита с наноструктурированным углеродом

 

              

Рисунок 3 – Пластические характеристики литого алюминиевого композита с различными наполнителями: ФС – фуллереновая сажа, ФЧ – фуллереновая чернь, Ф – фуллерен С60, Гр – микрокристаллический графит

 

Триботехнические испытания композитов с разными видами углеродосодержащего сырья показали, что наименьший коэффициент трения наблюдается при применении наноструктурированного углерода (фуллерен, фуллереновая сажа, фуллереновая чернь) в пределах 1,0–1,5 мас. % (рисунок 4а).

С увеличением номинального давления коэффициент трения исходного сплава возрастает и при P=18 МПа выходит на уровень значений 0,055–0,06 (рисунок 4б). Подобная зависимость коэффициента трения от давления наблюдается для композита с графитом, однако значения f меньше и составляют при P=18 МПа 0,030–0,035. Для образцов с наноструктурированным углеродом в исследуемом интервале давлений коэффициент трения практически не зависит от P и составляет 0,015–0,018, что свидетельствует о расширении диапазона рабочих давлений данных композитов.

Массовый износ образца исходного сплава, испытанного при давлении 6,0 МПа и v=0,5 м/с, на пути трения 400 м составил 6,7 мг, что в 3-4 раза выше, чем у композитов с ФС и ФЧ (рисунок 5). При содержании ФС и ФЧ в пределах 1,0–1,2 мас. % наблюдается минимальное значение Δm.

 

а                                                                б

Рисунок 4 – Зависимость коэффициента трения от содержания компонента при P=6,0 МПа, v=0,5 м/с, масло М10Г2(а) и от нагрузки испытаний (б):

1 – АК9 + 1,0 мас. %ФС; 2 – АК9 + 1,0 мас. %ФЧ; 3 – АК9 + 1,0 мас. %Ф;

4 – АК9 + 1,5 мас. %Гр; 5 – АК9 при v=0,5 м/с, масло М10Г2

Рисунок 5 –Значения массового износа образцов, при давлении 6,0 МПа,

v=0,5 м/с, масло М10Г2: 1 – АК9; 2 – АК9 + 0,5 мас. %;

3 – АК9 + 1,0 мас. %; 4 – АК9 + 1,5 мас. %; 5 – АК9 + 3,0 мас. %;

6 – АК9 + 5,0 мас. %

 

С увеличением пути трения износ исходного сплава АК9 резко возрастает и переходит в стадию катастрофического изнашивания (рисунок 6). Применение микрокристаллического графита позволяет снизить значение Δm до 6,0–7,0 мг, однако лучший показатель массового износа при длительных испытания принадлежит композитам с Ф, ФС и ФЧ и составляет 3,5–4,5 мг при L=1000 м., давлении 6,0 МПа и v=0,5 м/с.

 

Рисунок 6 –Зависимость массового износа образцов от пути трения, при давлении 6,0 МПа, v=0,5 м/с, масло М10Г2:

1 – АК9 + 1,0 мас. %ФС; 2 – АК9 + 1,0 мас. %ФЧ; 3 – АК9 + 1,0 мас. %Ф;

4 – АК9 + 1,5 мас. %Гр; 5 – АК9

 

Получение композиционного сплава по предложенной технологии с применением наноструктурированного углерода позволяет модифицировать все структурные составляющие исходного силумина и улучшить свойства материала. Уменьшить коэффициент трения, расширить диапазон рабочих давлений и повысить пластичность силумина АК9 в 2-3 раза, что дает возможность получать обработкой давлением более сложные по конструкции изделия.

 

Список использованных источников

1. Зарубинский, Г. М. Основные направления исследований в области получения, изучения свойств и практического использования фуллеренов / Г. М. Зурубинский [и др.] // Журн. прикл. хим. – 1999. – № 5. – С. 870875

2. Kroto H. C60: Buckminsterfullerene / H. Kroto, J. Heath, S. O’Brien et al. // Nature. – 1985. – Vol. 318. – P. 162–163.

3. Колокольцев, С.Н. Углеродные материалы. Свойства, технологии, применения: Учебные пособие / С.Н. Колокольцев – Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2012. – 296 с.

4. Волочко, А. Т. Переработка и использование алюминиевых отходов в производстве порошков, паст, композиционных и керамических материалов / А. Т. Волочко. – Минск: Беларус. Навука, 2006. – 302 с.

5. Chu, L.Li. Characterization of amorphous and nanocrystalline carbon films // Materials Chemistry and Physics. – 2006 (96), 253–277