Химия и химические технологии / 5.Фундаментальные проблемы создания новых материалов и технологий

К.т.н. Титова Ю. В., к.т.н. Майдан Д. А., магистрант Сафаева Д. Р.

Самарский государственный технический университет, Россия

ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИЦИИ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОРОШКОВ «SIC-SI₃N₄» МАРКИ СВС-АЗ ДЛЯ МОДИФИЦИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Традиционно применяемые металлические и неметаллические материалы в значительной мере достигли своего предела конструктивной прочности. Вместе с тем развитие современной техники требует создания материалов, надежно работающих в сложной комбинации силовых и температурных полей, при воздействии агрессивных сред, излучений, глубокого вакуума и высоких давлений. Решение этой задачи можно осуществить путем использования композиционных материалов.

В последние годы особое внимание уделяется получению литых алюмоматричных композиционных материалов (АМКМ) [1]. АМКМ получают все большее распространение в связи с их улучшенными свойствами по сравнению с обычными алюминиевыми сплавами [2]. В настоящее время алюмоматричные композиты используются при производстве поршней, клапанов, цилиндров, тормозных дисков и др. Армированные алюмоматричные композиты получили широкое применение в автомобильной и аэрокосмической промышленности в силу своих специфических характеристик: низкая плотность, высокая удельная прочность и жесткость, хорошие усталостные свойства, стабильность размеров при высоких температурах и приемлемые технологические свойства [3].

Анализ современных зарубежных и российских публикаций показал, что карбид кремния может служить эффективным зародышевым модификаторам для алюминиевых сплавов. Это объясняется тем что, параметр кристаллической решетки β-SiC (0,4359 нм) мало отличается от параметра кристаллической решетки Al (0,404 нм). Модифицирующая способность частиц карбида кремния может существенно возрастать с уменьшением их размеров до наноразмерного уровня. Производство алюмоматричных композитов осложняется несовершенством технологий производства и высокой стоимостью нанопорошков.

Заметный вклад в решение этой проблемы может внести использование достижений порошковой технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) тугоплавких химических соединений (карбидов, нитридов, боридов, оксидов и др.), изобретенного в 1967 году советскими учеными: академиком А.Г. Мержановым и профессорами И.П. Боровинской и В.М. Шкиро.

Процессы СВС основаны на проведении сильно экзотермических химических реакций взаимодействия исходных порошковых реагентов в форме горения [4]. В технологии СВС отсутствуют затраты электроэнергии для нагрева до высоких температур, используется простое малогабаритное оборудование, реализуются большие скорости процесса.

С 1970 года в Самарском государственном техническом университете разрабатывается азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС-Аз), которая позволяет получать микро- и нанопорошки нитридов, карбидов, силицидов и композиций на их основе при использовании порошка азида натрия NaN₃ в качестве азотирующего реагента и галоидных солей в качестве источника азотируемых и карбидизируемых элементов [5]. Для азидной технологии СВС характерны невысокие температуры горения и образование большого количества газообразных продуктов, которые затрудняют слияние первоначальных частиц продуктов синтеза и позволяют сохранить их в наноразмерном состоянии.

В данной работе показана перспективность использования композиции наноструктурированных порошков «SiC-Si₃N₄» марки СВС-Аз для модифицирования алюминиевых сплавов. В качестве модификатора использовалась композиция порошков карбида и нитрида кремния, содержащая β-SiC – 48,6 %, α-Si₃N₄ – 27,0 %, β-Si₃N₄ – 5,8 % и Na₃AlF₆ – 18,6 %, полученная по азидной технологии СВС. Методики синтеза и исследования указанной композиции подробно описаны в работе [6].

При синтезе данной композиции продукты горения также содержали побочный продукт – гексафторалюминат натрия (Na₃AlF₆), который используется в качестве флюса при производстве алюминиевых сплавов. Карбид кремния представлял собой частицы сферической формы размером 70-130 нм, нитрид кремния – волокна диаметром около 100 нм (рис. 1).

а)	б)

Рис. 1. Морфология частиц композиции порошков SiC–Si₃N₄

Эффективность модификатора оценивали при модифицировании промышленного алюминиевого сплава АК6М2 по ГОСТ 1583-2003.

Исследования показали, что доля нанопорошков в порошковой псевдолигатуре (ППЛ) не может быть выше 5 %. При более высоких концентрациях наночастиц ППЛ не растворяется в расплаве даже при температурах около 1000 °С. Использование криолита в качестве флюса вместо традиционного фторида натрия предотвращается образование неметаллических включений в сплаве.

Испытания прочностных характеристик показали, что модифицирование сплава АК6М2 порошковой псевдолигатурой на основе SiC и Si₃N₄ позволило увеличить твердость по Бриннелю на 20 %, относительное удлинение – в 3 раза, предел прочности – на 20 % относительно свойств немодифицированного сплава АК6М2.

Литература:

1. Akiniwa, Y., S. Machiya, H. Kimura, K. Tanaka, N. Minakawa, Y. Morii and T. Kamiyama / Evaluation of material properties of SiC particle reinforced aluminum alloy composite using neutron and X-ray diffraction // Materials Science and Engineering, 2006. – № 437. – P. 93–99. DOI: 10.1016/j.msea.2006.04.063.

2. Boopathi, M. M., K. P. Arulshri and N. Iyandurai / Evaluation of mechanical properties of aluminium alloy 2024 reinforced with silicon carbide and fly ash hybrid metal matrix composites // American Journal of Applied Sciences, 2013. – № 10(3).  – P. 21–229. DOI: 10.3844/ajassp.2013.219.229.

3. Mazahery, A. and M. O. Shabani / Microstructural and abrasive wear properties of SiC reinforced aluminum-based composite produced by compocasting // Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2013. № 23. – P. 1905-1914. DOI: 10.1016/S1003-6326(13)62676-X.

4. Merzhanov, A.G. and I.P. Borovinskaya / Historical retrospective of SHS: An autoreview // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis, 2008. – № 17. – P. 242-265. DOI: 10.3103/S1061386208040079.

5. Amosov A.P., G.V. Bichurov, N. F. Bolshova, V.M. Erin, A.G. Makarenko, Y.M. Markov / Azides as reagents in SHS processes // International Journal of Self-Propagating Hihg-Temperature Synthesis, 1992. – № 1(2). – P. 239-245.

6. Титова, Ю. В. Получение нанопорошка карбида кремния и композиции на его основе по азидной технологии СВС [Текст] / Ю. В. Титова, А. П. Амосов, А. А. Ермошкин, Ю. М. Марков, А. В. Попова, Т. Н. Хусаинова // Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. – 2013. – № 3. – С. 43-48.