RU2509817C1 - Powder composite - Google Patents

Powder composite Download PDF

Info

Publication number
RU2509817C1
RU2509817C1 RU2012152071/02A RU2012152071A RU2509817C1 RU 2509817 C1 RU2509817 C1 RU 2509817C1 RU 2012152071/02 A RU2012152071/02 A RU 2012152071/02A RU 2012152071 A RU2012152071 A RU 2012152071A RU 2509817 C1 RU2509817 C1 RU 2509817C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
aluminum
powder
temperature
silicon
alloys
Prior art date
Application number
RU2012152071/02A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Петрович Шалунов
Иван Владимирович Архипов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова"
Priority to RU2012152071/02A priority Critical patent/RU2509817C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2509817C1 publication Critical patent/RU2509817C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention can be used as a structural material for parts operated at high mechanical and thermal loads, for example, pistons of augmented ICEs operated at 350°C and higher. Proposed composition contains the following substances, in wt %: silicon - 12.05…14.65, nickel - 2.80…3.40, iron - 1.50…1.70, aluminium oxide - 1.05…1.30, carbon - 1.35…1.65, aluminium making the rest.
EFFECT: lower thermal expansion factor, higher heat and wear resistance.
4 dwg, 3 tbl

Description

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности, к жаропрочным и износостойким композиционным материалам на основе алюминия с пониженным коэффициентом термического линейного расширения и может быть использовано для деталей, работающих в условиях высоких механических (давление газов, силы инерции) и тепловых нагрузок, в частности, для изготовления поршней форсированных двигателей внутреннего сгорания (ДВС).The invention relates to the field of powder metallurgy, in particular, to heat-resistant and wear-resistant composite materials based on aluminum with a reduced coefficient of thermal linear expansion and can be used for parts operating under conditions of high mechanical (gas pressure, inertial forces) and thermal loads, in particular , for the manufacture of pistons of forced internal combustion engines (ICE).

Боковая поверхность такого поршня вследствие расширения из-за нагрева подвергается износу при движении по поверхности цилиндра. В результате трения поршневых колец и боковой поверхности о стенки цилиндра поршень нагревается дополнительно. Ввиду высоких температур поверхности днища поршня, прочность материала, из которого он изготовлен, снижается, что может привести к образованию в нем трещин и даже прогаров.The lateral surface of such a piston due to expansion due to heating is subject to wear when moving along the surface of the cylinder. As a result of the friction of the piston rings and the side surface against the cylinder walls, the piston heats up additionally. Due to the high temperature of the piston bottom surface, the strength of the material from which it is made is reduced, which can lead to the formation of cracks and even burnouts in it.

Для малофорсированных двигателей с ограниченным сроком службы, поршни которых во время работы могут нагреваться до 150…200°C, применяются цельные поршни (литые или горячештампованные), изготавливаемые из специальных поршневых жаропрочных алюминиевых сплавов. В частности, для изготовления поршней литьем в кокиль используются эвтектически легированные алюминиевые литейные сплавы на базе системы Al-Si (силумины) марок АЛ25 и АЛ30, имеющие предел прочности при нормальной температуре 200…240 МПа и относительное удлинение 0,2…0,6%. При температуре 300°C предел прочности этих сплавов снижается до 100…10 МПа. Коэффициент термического линейного расширения (КТЛР) этих сплавов в диапазоне температур (20…300)°C составляет не менее 21·10-61/°C (см. Применение алюминиевых сплавов: справ, изд. / М.Б. Альтман, Ю.П. Арбузов и др. - М.: Металлургия, 1985, с.163-167).For ramped engines with a limited service life, the pistons of which during operation can heat up to 150 ... 200 ° C, solid pistons (cast or hot-stamped) made of special piston heat-resistant aluminum alloys are used. In particular, for the manufacture of pistons by chill casting, eutectically alloyed aluminum cast alloys based on the Al-Si system (silumins) of the AL25 and AL30 grades are used, having a tensile strength at normal temperature of 200 ... 240 MPa and a relative elongation of 0.2 ... 0.6% . At a temperature of 300 ° C, the tensile strength of these alloys decreases to 100 ... 10 MPa. The coefficient of thermal linear expansion (KTLR) of these alloys in the temperature range (20 ... 300) ° C is not less than 21 · 10 -6 1 / ° C (see Application of aluminum alloys: reference, ed. / M.B. Altman, Yu. .P. Arbuzov et al. - M.: Metallurgy, 1985, p.163-167).

Получаемые горячей объемной штамповкой поршни из деформируемых алюминиевых сплавов на базе системы Al-Si (например, марок АК4, АК4-1), как правило, обладают более высокими, чем литые, прочностными характеристиками, но они имеют большее значение КТЛР - (22,0…24,3)-10-61/°C (см. Вырубов Д.Н., Ефимов С.И., Иващенко Н.А. Двигатели внутреннего сгорания: конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей. - М.: Машиностроение, 1984, с.134).Pistons obtained by hot stamping from wrought aluminum alloys based on the Al-Si system (for example, grades AK4, AK4-1), as a rule, have higher strength characteristics than cast alloys, but they have a higher KTLR value - (22.0 ... 24.3) -10 -6 1 / ° C (see Vyrubov D.N., Efimov S.I., Ivashchenko N.A. Internal combustion engines: design and strength analysis of piston and combined engines. - M. : Engineering, 1984, p.134).

После достижения такого уровня форсирования ДВС, когда среднее эффективное давление составляет 1,5…1,8 МПа и более, температура нагрева днища поршня может достигать 350°C и выше. В этом случае уровень жаропрочности указанных выше и других стандартных алюминиевых сплавов становиться недостаточным, чтобы их можно было применять для изготовления поршней ДВС, При таких температурах нагрева алюминиевые материалы также должны иметь и значительно меньшие, чем стандартные алюминиевые сплавы, значения КТЛР (см. Вырубов Д.Н., Ефимов С.И., Иващенко Н.А. Двигатели внутреннего сгорания: конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей. - М: Машиностроение, 1984, с.129). Это обусловило необходимость изготавливать поршни форсированных двигателей составными: юбку поршня, значительно меньше нагреваемую, чем днище - из стандартных жаропрочных алюминиевых сплавов, а днище - из жаропрочных материалов с низкими значениями КТЛР, способных работать при температурах 350°C и выше. В частности, для повышения термостойкости донной части поршня, где у высокофорсированных дизелей температура может достигать до 350…450°C, эту часть армируют вставкой из жаропрочного материала, например, из жаропрочной стали 20Х3МВФ, что значительно увеличивает массу поршня (см. Вырубов Д.Н., Ефимов С.И., Иващенко Н.А. Двигатели внутреннего сгорания: конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей. - М.: Машиностроение, 1984, с.133).After reaching such a level of ICE forcing, when the average effective pressure is 1.5 ... 1.8 MPa or more, the temperature of the piston head can reach 350 ° C and higher. In this case, the heat resistance level of the above and other standard aluminum alloys becomes insufficient so that they can be used for the manufacture of ICE pistons.At such heating temperatures, aluminum materials should also have significantly lower CTLR values than standard aluminum alloys (see Cutouts D .N., Efimov S.I., Ivashchenko N.A. Internal combustion engines: design and strength analysis of piston and combined engines. - M: Mechanical Engineering, 1984, p.129). This necessitated the manufacture of forced-piston engines as composite: the piston skirt, which is much less heated than the bottom, is made from standard heat-resistant aluminum alloys, and the bottom is made from heat-resistant materials with low KTLR capable of operating at temperatures of 350 ° C and above. In particular, to increase the heat resistance of the bottom of the piston, where the temperature of highly accelerated diesels can reach 350 ... 450 ° C, this part is reinforced with an insert made of heat-resistant material, for example, of heat-resistant steel 20Kh3MVF, which significantly increases the mass of the piston (see. Cutouts D. N., Efimov S.I., Ivashchenko N.A. Internal Combustion Engines: Design and Strength Analysis of Piston and Combined Engines. - M.: Mechanical Engineering, 1984, p.133).

С разработкой жаропрочных композиционных материалов на основе алюминия возникла возможность армировать донную часть поршней вставками из таких материалов. Например, известен жаропрочный дисперсно-упрочненный композиционный материал системы Al-C-O с содержанием в его исходном составе 4,0% масс. углерода (см. Белявский Г.И., Шалунов Е.П. Получение биметаллических отливок с вкладышами из дисперсно-упрочненных композитов // Литейное производство. - 1991. - №3, с.15-16), использованного для изготовления вставки для донной части составного поршня. Этот материал получали с использованием метода реакционного механического легирования в аттриторе и технологий порошковой и гранульной металлургии. Его субзеренная структура с механохимически синтезированными из порошкового алюминия и углерода (в виде сажи) и алюминия и кислорода упрочняющими фазами, соответственно, Al4C3 и Al2O3 со средним размером частиц 40 нм обеспечивают материалу высокие показатели предела прочности при растяжении не только в условиях нормальной температуры (500…520 МПа), но, главное, при температуре 350°C - 200…210 МПа. Соединение армирующей вставки, отштампованной из прутка этого материала, с донной частью поршня из литейного алюминиевого сплава АЛ25 осуществляли по диффузионному механизму во время получения поршня методом литья с кристаллизацией под давлением (ЛКД). Но при этом КТЛР данного алюминиевого материала несколько превышает КТЛР сплава АЛ25, т.е. равен более 21·10-61/°C, в связи с чем во время работы поршня в зоне диффузионного соединения вставки с его донной частью возникали дополнительные напряжения, отрицательно сказывающиеся на прочности этого соединения.With the development of heat-resistant composite materials based on aluminum, it became possible to reinforce the bottom of the pistons with inserts of such materials. For example, a heat-resistant dispersion-hardened composite material of the Al-CO system with a content of 4.0% by weight in its initial composition is known. carbon (see Belyavsky GI, Shalunov EP Obtaining bimetallic castings with inserts from dispersion-hardened composites // Foundry. - 1991. - No. 3, p.15-16), used for the manufacture of inserts for bottom parts of the composite piston. This material was obtained using the method of reactive mechanical alloying in an attritor and powder and granular metallurgy technologies. Its subgrain structure with mechanochemically synthesized from powder aluminum and carbon (in the form of soot) and aluminum and oxygen hardening phases, respectively, Al 4 C 3 and Al 2 O 3 with an average particle size of 40 nm provide the material with high tensile strength in conditions of normal temperature (500 ... 520 MPa), but, most importantly, at a temperature of 350 ° C - 200 ... 210 MPa. The connection of the reinforcing insert stamped from the rod of this material with the bottom of the piston from the cast aluminum alloy AL25 was carried out by the diffusion mechanism during the preparation of the piston by injection molding with crystallization under pressure (LCD). But at the same time, the CTLR of this aluminum material is slightly higher than the CTLR of the AL25 alloy, i.e. is equal to more than 21 · 10 -6 1 / ° C, and therefore during operation of the piston in the zone of diffusion connection of the insert with its bottom part there were additional stresses that adversely affect the strength of this connection.

Расчеты, произведенные по методике и формулам, приведенным в источнике - Вырубов Д.Н., Ефимов С.И., Иващенко Н.А. Двигатели внутреннего сгорания: конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей. - М.: Машиностроение, 1984, с.134-152 - показали, что алюминиевый материал вставок для донной части составных поршней диаметром 72…156 мм, нагреваемых во время работы до температуры 350°C, должен иметь коэффициент температурного линейного расширения в диапазоне температур испытаний (20…150)°C, равный 17,5·10-61/°C и менее, при значениях предела прочности при растяжении при нормальной температуре не менее 600 МПа. При этом он должен обладать, по сравнению с литейными поршневыми сплавами, определенным резервом пластических свойств, в частности, относительное удлинение такого алюминиевого материала должно составлять не менее 1,5%. При температуре испытаний 350°C его предел прочности не должен снижаться ниже 180 МПа, а коэффициент температурного линейного расширения в диапазоне температур испытаний (20…350)°C - повышаться более, чем 19,5·10-61/°C.Calculations made according to the methodology and formulas given in the source - Vyrubov D.N., Efimov S.I., Ivashchenko N.A. Internal combustion engines: design and strength analysis of piston and combined engines. - M .: Mashinostroenie, 1984, p.134-152 - showed that the aluminum material of the inserts for the bottom of composite pistons with a diameter of 72 ... 156 mm, heated during operation to a temperature of 350 ° C, must have a coefficient of linear thermal expansion in the temperature range testing (20 ... 150) ° C, equal to 17.5 · 10 -6 1 / ° C or less, with values of tensile strength at normal temperature not less than 600 MPa. Moreover, it must possess, in comparison with casting piston alloys, a certain reserve of plastic properties, in particular, the relative elongation of such an aluminum material should be at least 1.5%. At a test temperature of 350 ° C, its tensile strength shall not decrease below 180 MPa, and the coefficient of temperature linear expansion in the range of test temperatures (20 ... 350) ° C should increase more than 19.5 · 10 -6 1 / ° C.

Алюминиевый материал с указанными выше характеристиками может быть эффективно использован в форсированных ДВС в виде цельных поршней, получаемых горячей объемной штамповкой, или в виде вставок для их донной части. В частности, изготовление вставки 2 донной части составного поршня, приведенного на рис.1, из алюминиевого композиционного материала, имеющего КТЛР, значительно меньше, чем у алюминиевого литейного сплава (например, АЛ25), из которого методом ЛКД изготавливается юбка 1 поршня, позволит, во-первых, увеличить прочность соединения жаропрочной вставки с днищем и юбкой за счет создания возрастающего по мере нагрева поршня натяга в зоне A этого соединения и, во-вторых, уменьшить объемное изменение поршня во время работы, правильно рассчитав высоту H кольцевого бурта вставки. Следовательно, можно создать меньший зазор между поршнем и цилиндром, что позволит снизить потери мощности двигателя, сократить расход масла и топлива.Aluminum material with the above characteristics can be effectively used in forced-combustion engines in the form of solid pistons obtained by hot forging, or in the form of inserts for their bottom. In particular, the manufacture of the insert 2 of the bottom part of the composite piston shown in Fig. 1 from an aluminum composite material having a KTLR is significantly less than that of an aluminum cast alloy (for example, AL25), from which the piston skirt 1 is made by the method of LCD, firstly, to increase the strength of the connection of the heat-resistant insert with the bottom and skirt by creating a preload that increases as the piston heats up in zone A of this connection and, secondly, to reduce the volume change of the piston during operation by correctly calculating the height H annular collar insert. Therefore, you can create a smaller gap between the piston and the cylinder, which will reduce engine power loss, reduce oil and fuel consumption.

В связи с тем, что в гетерогенных сплавах коэффициент температурного линейного расширения аддитивен значениям КТЛР фаз, образующих материал (см. Алюминиевые сплавы. Промышленные деформируемые, спеченные и литейные алюминиевые сплавы: справ, руководство. - М.: Металлургия, 1972, с.326), получение алюминиевых материалов с низкими значениями КТЛР осуществляют за счет легирования алюминия элементами (прежде всего, кремнием), снижающими КТЛР алюминия. Но при содержании кремния в литейных алюминиевых сплавах сверх 15% масс., даже в случае применения разнообразных методов модифицирования, кремний образует грубые первичные кристаллы, охрупчивающие сплав и снижающие его прочностные и технологические свойства. При этом минимальная величина КТЛР в диапазоне температур испытаний (20…300)°C литейных бинарных сплавов системы Al-Si составляет не менее 21·10-61/°C (см. Применение алюминиевых сплавов: справ, изд. / М.Б. Альтман, Ю.П. Арбузов и др. - М.: Металлургия, 1985, с.163-167).Due to the fact that in heterogeneous alloys the coefficient of temperature linear expansion is additive to the values of the thermal expansion coefficient of the phases that form the material (see Aluminum alloys. Industrial deformable, sintered and cast aluminum alloys: reference, manual. - M .: Metallurgy, 1972, p.326 ), the production of aluminum materials with low KTLR values is carried out by alloying aluminum with elements (primarily silicon) that reduce the KTLR of aluminum. But when the silicon content in cast aluminum alloys exceeds 15 mass%, even in the case of applying various modification methods, silicon forms coarse primary crystals, embrittlement of the alloy and reducing its strength and technological properties. At the same time, the minimum KTLR value in the test temperature range (20 ... 300) ° C of cast binary alloys of the Al-Si system is at least 21 · 10 -6 1 / ° C (see Application of aluminum alloys: reference, ed. / M.B Altman, Yu.P. Arbuzov et al. - M.: Metallurgy, 1985, p.163-167).

В случае распыления расплава кремнийсодержащего алюминиевого сплава с большой скоростью его охлаждения - (103…106)°C/c -, возможно получение порошка, в котором содержание кремния достигает до 30% масс. и более, а сама структура материала является достаточно мелкозернистой. Таким способом, например, получают спеченный алюминиевый сплав САС-1 с содержанием в нем кремния 25…30% масс. и никеля - 5…7% масс., так же снижающего КТЛР сплава (см. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов: уч. пособие для вузов. - М.: Металлургия, 1981, с.145). Этот сплав имеет КТЛР при температуре испытаний (20…100)°C, равный (14,5…15,5) 10-61/°C, но обладает низким пределом прочности даже при нормальной температуре (не более 240 МПа), а также является хрупким (относительное удлинение не превышает 0,5%).In the case of spraying a molten silicon-containing aluminum alloy with a high cooling rate of (10 3 ... 10 6 ) ° C / s -, it is possible to obtain a powder in which the silicon content reaches up to 30% of the mass. and more, and the structure of the material itself is quite fine-grained. In this way, for example, a sintered aluminum alloy CAC-1 is obtained with a silicon content of 25 ... 30% by mass. and nickel - 5 ... 7% of the mass., also reducing the CTRL of the alloy (see Kolachev B.A., Livanov V.A., Elagin V.I. Metallurgy and heat treatment of non-ferrous metals and alloys: a textbook for universities. - M.: Metallurgy, 1981, p.145). This alloy has a CTLR at a test temperature of (20 ... 100) ° C equal to (14.5 ... 15.5) 10 -6 1 / ° C, but has a low tensile strength even at normal temperature (no more than 240 MPa), and also brittle (elongation does not exceed 0.5%).

Еще более низкими значениями КТЛР - (14…15) 10-61/°C - при температуре испытаний (20…100)°C обладает алюминиевый композиционный материал, полученный методом порошковой металлургии из быстрозакристаллизованного порошка сплава, содержащего 36% масс. кремния и 1% масс. магния, к которому подмешивался графит в количестве 1% масс. (см. Волочко А.Т., Румянцева И.Н. Композиционные высоколегированные алюминиевые материалы: тез. докл. 3-ей Всесоюз. конф. по металлургии гранул. - М.: ВИЛС, 1981, с.32-33). Здесь графит, обладая коэффициентом температурного линейного расширения, практически равным КТЛР кремния, используется как добавка, одновременно снижающая КТЛР материала и повышающая его антифрикционные свойства. Но данный материал не может использоваться при температуре 350°C, т.к. даже при нормальной температуре он имеет низкие прочностные характеристики - например, твердость равна всего 80…95 HB.Even lower KTLR values - (14 ... 15) 10 -6 1 / ° C - at a test temperature of (20 ... 100) ° C have an aluminum composite material obtained by powder metallurgy from rapidly crystallized alloy powder containing 36% by weight. silicon and 1% of the mass. magnesium, to which graphite was mixed in an amount of 1% of the mass. (see Volochko A.T., Rumyantseva I.N. Composite high-alloyed aluminum materials: thesis. report of the 3rd All-Union Conference on Pellet Metallurgy. - M.: VILS, 1981, p. 32-33). Here, graphite, having a coefficient of linear thermal expansion almost equal to the thermal expansion coefficient of silicon, is used as an additive that simultaneously reduces the thermal expansion coefficient of the material and increases its antifriction properties. But this material cannot be used at a temperature of 350 ° C, because even at normal temperature it has low strength characteristics - for example, hardness is only 80 ... 95 HB.

Известно (см. Портной К.И., Бабич Б.Н. Дисперсно-упрочненные материалы. - М.: Металлургия, 1974, с.45-45), что для обеспечения алюминиевых материалов высокими прочностными характеристиками при температурах, равных 0,85…0,90 от температуры плавления алюминия, и, в частности при 350°C, необходимо при нагреве затормозить рост зерен за счет присутствия в матрице материала термодинамически стабильных частиц второй фазы, являющихся препятствием для скольжения дислокаций. В качестве такой второй фазы могут быть оксиды, карбиды, нитриды, бориды алюминия и других металлов, которые не только обеспечивают дисперсное упрочнения алюминия, но, обладая низким КТЛР, равным для большинства из них (6…8) 10-61/°C, также снижают его коэффициент температурного линейного расширения. Причем, чем мельче частицы второй фазы, тем выше при равном их объеме в материале его жаропрочность.It is known (see. Portnoy K.I., Babich B.N. Dispersion-hardened materials. - M .: Metallurgy, 1974, p. 45-45) that for providing aluminum materials with high strength characteristics at temperatures equal to 0.85 ... 0.90 of the melting temperature of aluminum, and, in particular, at 350 ° C, it is necessary to inhibit grain growth during heating due to the presence of thermodynamically stable particles of the second phase in the matrix of the material, which impede the slip of dislocations. Such a second phase can be oxides, carbides, nitrides, borides of aluminum and other metals, which not only provide dispersed hardening of aluminum, but, having a low CTRL, equal for most of them (6 ... 8) 10 -6 1 / ° C also reduce its coefficient of temperature linear expansion. Moreover, the smaller the particles of the second phase, the higher, with an equal volume in the material, its heat resistance.

Наиболее просто, производительно и недорого осуществить дисперсное упрочнение алюминия частицами его оксида, карбида, борида, нитрида наноразмерного уровня (менее 100 нм), произведя обработку порошка алюминия с соответствующими добавками и в соответствующей среде в высокоэнергетических шаровых мельницах, например, в аттриторах, обеспечивающих механохимический синтез этих частиц. При обработке порошка алюминия в среде кислорода или нагретого азота могут быть синтезированы, соответственно, оксид или нитрид алюминия, а при добавлении в алюминиевый порошок углерода (в виде сажи или графита) или порошка бора образуются, соответственно, карбид или борид алюминия.It is most simple, productive, and inexpensive to carry out disperse hardening of aluminum with particles of its oxide, carbide, boride, and nitride of a nanoscale level (less than 100 nm) by treating aluminum powder with appropriate additives and in a suitable medium in high-energy ball mills, for example, in attritors providing mechanochemical synthesis of these particles. When processing aluminum powder in an environment of oxygen or heated nitrogen, aluminum oxide or nitride can be synthesized, respectively, and when carbon (in the form of soot or graphite) or boron powder is added to aluminum powder, aluminum carbide or boride are formed, respectively.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому изобретению является принятый за прототип (см. патент РФ №2353689 от 15.11.2006 г., опубликован 27.04.2009 г.) порошковый композиционный материал, содержащий алюминий, кремний, никель, бериллий, оксид алюминия и углерод при следующем соотношении компонентов (% масс.):The closest in technical essence and the achieved effect to the claimed invention is taken as a prototype (see RF patent No. 2353689 dated 11/15/2006, published 04/27/2009) powder composite material containing aluminum, silicon, nickel, beryllium, oxide aluminum and carbon in the following ratio of components (% wt.):

кремнийsilicon 35,0…46,0;35.0 ... 46.0; никельnickel 2,0…5,0;2.0 ... 5.0; бериллийberyllium 0,0001…0,049;0.0001 ... 0.049; оксид алюминияaluminium oxide 0,1…3,0;0.1 ... 3.0; углеродcarbon 0,5…2,0;0.5 ... 2.0; алюминийaluminum остальное.rest.

При получении этого материала использовалась как быстрая кристаллизация расплава, содержащего алюминий, кремний, никель, бериллий, с получением распыленного порошка сплава, так и последующее механическое легирование в аггриторе этого порошка дисперсными углеродом и кремнием в азотно-кислородной смеси. Благодаря такому высокому содержанию в материале компонентов, снижающих КТЛР алюминия, он имеет низкий коэффициент температурного линейного расширения, равный (9,94…14,40) 10-61/°C в диапазоне температур испытаний (20…150)°C. Однако, чрезвычайно высокая пересыщенность твердого раствора алюминия не позволяет ему эффективно взаимодействовать с углеродом при обработке распыленного порошка сплава в аттриторе и, тем самым, образовывать мелкодисперсный карбид алюминия, который мог бы обеспечить дисперсное упрочнение материала и придать ему жаропрочные свойства. Как следует из описания прототипа, основные функции углерода при получении данного материала заключаются в обеспечении смазывающего эффекта при механическом легировании, предотвращающего комкование частиц порошка, и снижении, находясь в свободном виде, коэффициента температурного линейного расширения алюминиевого материала.In the preparation of this material, we used both fast crystallization of a melt containing aluminum, silicon, nickel, and beryllium to obtain a sprayed alloy powder, and subsequent mechanical alloying of this powder with dispersed carbon and silicon in a nitrogen – oxygen mixture in the aggreter. Due to such a high content in the material of components that reduce the thermal expansion coefficient of aluminum, it has a low coefficient of linear thermal expansion equal to (9.94 ... 14.40) 10 -6 1 / ° C in the test temperature range (20 ... 150) ° C. However, the extremely high supersaturation of aluminum solid solution does not allow it to effectively interact with carbon when processing atomized alloy powder in an attritor and, thus, to form finely dispersed aluminum carbide, which could provide dispersed hardening of the material and give it heat-resistant properties. As follows from the description of the prototype, the main functions of carbon in the production of this material are to provide a lubricating effect during mechanical alloying, preventing clumping of powder particles, and reducing, when in free form, the coefficient of linear thermal expansion of aluminum material.

Пересыщенность твердого раствора алюминия в совокупности с использованием при обработке в аттриторе кислородно-азотной среды обеспечивают конечному материалу невысокое содержание в нем оксида алюминия - 0,1…3,0% масс., при котором материал не может обладать требуемым уровнем жаропрочности. Так, при содержании оксида алюминия в стандартном алюминиевом сплаве САП-1, получаемом из подвергнутого обработке в шаровой мельнице в среде кислорода порошка алюминия, в количестве даже 6…9% масс. этот сплав имеет предел прочности при нормальной температуре, равный 300 МПа, а при температуре 350°C - всего 140 МПа (см. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов: уч. пособие для вузов. - М.: Металлургия, 1981, с.142-143).The supersaturation of the aluminum solid solution together with the use of an oxygen-nitrogen medium during processing in the attritor provides the final material with a low aluminum oxide content of 0.1 ... 3.0 mass%, at which the material cannot have the required level of heat resistance. So, when the content of aluminum oxide in the standard aluminum alloy SAP-1 obtained from processed in a ball mill in an oxygen atmosphere of aluminum powder, in an amount of even 6 ... 9% of the mass. this alloy has a tensile strength at normal temperature of 300 MPa, and at a temperature of 350 ° C it is only 140 MPa (see Kolachev B.A., Livanov V.A., Elagin V.I. Metallurgy and heat treatment of non-ferrous metals and alloys: textbook for universities. - M .: Metallurgy, 1981, p.142-143).

Вышеизложенное позволяет заключить, что порошковый композиционный материал, являющийся прототипом заявляемого изобретения, имеет низкий уровень дисперсного упрочнения частицами карбида и оксида алюминия, в связи с чем, он не обладает требуемой жаропрочностью и не может эксплуатироваться при температурах 350°C,The above allows us to conclude that the powder composite material, which is the prototype of the claimed invention, has a low level of dispersion hardening by particles of carbide and aluminum oxide, and therefore, it does not have the required heat resistance and cannot be operated at temperatures of 350 ° C,

Кроме того, этот материал имеет очень низкую пластичность: относительное удлинение не превышает 0,5%. Так, относительное удлинение стандартного спеченного алюминиевого сплава САС-1, содержащего суммарно значительно меньше кремния и никеля (кремния - 25…30% масс. и никеля - 5…7% масс.), чем порошковый композиционный материал, являющийся прототипом заявляемого изобретения, составляет всего 0,5% (см. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов: уч. пособие для вузов. - М.: Металлургия, 1981, с.145). К тому же, используемое при получении порошкового композиционного материала механическое легирование в аттриторе всегда приводит к снижению пластических свойств изготовленных таким способом материалов (см. Шалунов Е.П. Прочность и пластичность объемных наноструктурных материалов, получаемых реакционным механическим легированием // Актуальные проблемы прочности: сб. тр. 53-ей междунар. науч. конф., Витебск, 2-5 октября 2012 г. - Витебск: УО «ВГТУ», 2012. - С.120-1221.In addition, this material has a very low ductility: elongation does not exceed 0.5%. So, the relative elongation of a standard sintered aluminum alloy САС-1, containing a total significantly less silicon and nickel (silicon - 25 ... 30% mass. And nickel - 5 ... 7% mass.) Than the powder composite material, which is the prototype of the claimed invention, is only 0.5% (see Kolachev B.A., Livanov V.A., Elagin V.I. Metallurgy and heat treatment of non-ferrous metals and alloys: textbook for universities. - M .: Metallurgy, 1981, p. 145). In addition, the mechanical alloying used in the preparation of a powder composite material in the attritor always leads to a decrease in the plastic properties of materials made in this way (see Shalunov E.P. Strength and ductility of bulk nanostructured materials obtained by reactive mechanical alloying // Actual problems of strength: Sat Tr. 53rd international scientific conference, Vitebsk, October 2-5, 2012 - Vitebsk: UO "VSTU", 2012. - P.120-1221.

Содержащийся в порошковом композиционном материале дефицитный и дорогостоящий бериллий, хотя и является элементом, эффективно снижающим КТЛР алюминия, так же приводит к охрупчиванию материала и повышает его стоимость (см. Алюминиевые сплавы. Промышленные деформируемые, спеченные и литейные алюминиевые сплавы: справ, руководство. - М.: Металлургия, 1972, с.326).The deficient and expensive beryllium contained in the powder composite material, although it is an element that effectively reduces the thermal expansion coefficient of aluminum, also leads to embrittlement of the material and increases its cost (see Aluminum alloys. Industrial wrought, sintered and cast aluminum alloys: reference, manual. - M .: Metallurgy, 1972, p.326).

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание порошкового композиционного материала на основе алюминия с комплексом взаимоувязанных между собою физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств и невысокой стоимостью, способного эксплуатироваться в поршнях форсированных двигателей внутреннего сгорания при температуре 350°C и выше.The task to which the claimed invention is directed is to create a powder composite material based on aluminum with a set of interconnected physical, mechanical, technological and operational properties and low cost, capable of being used in pistons of forced internal combustion engines at a temperature of 350 ° C and above.

Ожидаемый технический результат заключается в обеспечении заявляемого материала пределом прочности при нормальной температуре не менее 600 МПа при относительном удлинении не менее 1,5% и пределом прочности при температуре 350°C не менее 180 МПа при коэффициенте температурного линейного расширения в диапазоне температур испытаний (20…150)°C, равном не более 17,5·10-61/°C, и равном не более 19,5·10-61/°C в диапазоне температур (20…350)°C, за счет, прежде всего, подбора сбалансированного химического состава материала, а также использования для его получения технологий, обеспечивающих одновременно интенсивную пластическая деформацию, дисперсионное твердение и дисперсное упрочнение, аддитивно влияющих на формирование требуемых структуры и свойств получаемого материала.The expected technical result is to provide the claimed material with a tensile strength at normal temperature of at least 600 MPa with a relative elongation of at least 1.5% and a tensile strength at a temperature of 350 ° C of at least 180 MPa with a coefficient of linear thermal expansion in the test temperature range (20 ... 150) ° C, equal to not more than 17.5 · 10 -6 1 / ° C, and equal to not more than 19.5 · 10 -6 1 / ° C in the temperature range (20 ... 350) ° C, due to, before total selection of a balanced chemical composition of the material, as well as use to obtain it echnology providing simultaneous intensive plastic deformation, precipitation hardening and dispersion hardening additively influencing the formation of the desired structure and properties of the resultant material.

Ожидаемый технический результат достигается тем, что порошковый композиционный материал на основе алюминия, содержащий кремний, никель, оксид алюминия и углерод, дополнительно содержит железо при следующем соотношении компонентов, % масс.:The expected technical result is achieved in that the aluminum-based powder composite material containing silicon, nickel, aluminum oxide and carbon additionally contains iron in the following ratio of components,% mass:

кремнийsilicon 12,05…14,65;12.05 ... 14.65; никельnickel 2,80…3,40;2.80 ... 3.40; оксид алюминияaluminium oxide 1,05…1,30;1.05 ... 1.30; углеродcarbon 1,35…1,65;1.35 ... 1.65; железоiron 1,50…1,70;1.50 ... 1.70; алюминийaluminum остальное.rest.

Приведенный выше химический состав получают путем смешивания предварительно полученного быстрозакристаллизованного распыленного порошка алюминиевого сплава системы Al-Si-Ni-Fe и предварительно приготовленной порошковой смеси, состоящей из порошка технического алюминия и технического углерода.The above chemical composition is obtained by mixing the pre-obtained rapidly crystallized atomized powder of an aluminum alloy of the Al-Si-Ni-Fe system and a pre-prepared powder mixture consisting of technical aluminum powder and carbon black.

Получение порошковых композиций указанного выше химического состава и их дальнейшая переработка в конечный порошковый композиционный материал осуществляют следующим образом.Obtaining powder compositions of the above chemical composition and their further processing into the final powder composite material is as follows.

1. Приготовление расплава алюминиевого сплава системы Al-Si-Ni-Fe приведенных в табл.1 составов на основе чушкового алюминия марки А7 (ГОСТ 11070-74) посредством введения в него лигатур кремния марки AlSi50 (EN АМ-91402) и таблетированных лигатур никеля марки ТПФ-12 и железа марки ТПФ-13.1. Preparation of a melt of an aluminum alloy of the Al-Si-Ni-Fe system of the compositions given in Table 1 based on pig aluminum A7 grade (GOST 11070-74) by introducing AlSi50 grade silicon alloys (EN AM-91402) and nickel pelletized alloys into it TPF-12 grade and TPF-13 grade iron.

Таблица 1Table 1 Номер состава расплава алюминиевого сплава (номер состава распыленного порошка алюминиевого сплава)Aluminum alloy melt composition number (aluminum alloy powder composition number) Содержание компонентов в расплаве алюминиевого сплава, % масс.:The content of components in the molten aluminum alloy,% mass .: SiSi NiNi FeFe AlAl 1one 22 33 4four 55 1one 26,326.3 7,67.6 3,23.2 ост.rest 22 26,326.3 6,26.2 2,72.7 ост.rest 33 26,326.3 5,15.1 2,32,3 ост.rest

2. Распыление сжатым азотом приготовленного расплава указанных в табл.1 составов со скоростью охлаждения 104°C/c с улавливанием полученного распыленного порошка алюминиевого сплава в нейтральной среде азота.2. Spraying with compressed nitrogen the prepared melt of the compositions indicated in Table 1 with a cooling rate of 10 4 ° C / s with trapping the resulting atomized powder of aluminum alloy in a neutral nitrogen atmosphere.

3. Приготовление порошковой смеси, состоящей из 97% масс. порошка технического алюминия марки ПП-1 (ГОСТ 5591-71), который содержит поверхностные пленки оксида алюминия в количестве 2,4% масс., кремния - 0,4% масс. и 0,5% масс. железа), и 3% масс. технического углерода в виде газовой сажи марки ДГ-100 (ГОСТ 7885-77, со следующим содержанием компонентов в порошковой смеси (% масс.):3. Preparation of a powder mixture consisting of 97% of the mass. powder of industrial aluminum brand PP-1 (GOST 5591-71), which contains surface films of aluminum oxide in an amount of 2.4% wt., silicon - 0.4% of the mass. and 0.5% of the mass. iron), and 3% of the mass. carbon black in the form of carbon black brand DG-100 (GOST 7885-77, with the following components in the powder mixture (% wt.):

углеродcarbon 3,00;3.00; оксид алюминияaluminium oxide 2,33;2.33; кремнийsilicon 0,39;0.39; железоiron 0,49;0.49; алюминийaluminum остальное.rest.

4. Приготовление порошковых композиций, состоящих из быстрозакристаллизованного распыленного порошка алюминиевого сплава и порошковой смеси, приведенных в табл.2 составов.4. Preparation of powder compositions consisting of rapidly crystallized atomized powder of an aluminum alloy and a powder mixture, are given in table 2 of the compositions.

Таблица 2table 2 Номер состава порошковой композиции (номер состава композиционного материала)The composition number of the powder composition (composition number of the composite material) Состав порошковой композиции, % масс.The composition of the powder composition,% mass. Содержание компонентов в порошковой композиции, % масс.:The content of components in the powder composition,% mass .: распыленный порошок алюминиевого сплаваatomized aluminum alloy powder порошковая смесьpowder mix SiSi NiNi FeFe Al2O3 Al 2 O 3 CC AlAl номер составаcomposition number содержаниеcontent 1one 22 33 4four 55 66 77 88 99 1010 1one 1one 4545 5555 12,0512.05 3,403.40 1,701.70 1,301.30 1,651.65 ост.rest 22 33 5555 4545 14,6514.65 2,802.80 1,501,50 1,051.05 1,351.35 ост.rest 33 22 4545 5555 12,0512.05 2,802.80 1,501,50 1,301.30 1,651.65 ост.rest 4four 22 50fifty 50fifty 13,5013.50 3,103.10 1,601,60 1,151.15 1,501,50 ост.rest 55 22 5555 4545 14,6514.65 3,403.40 1,701.70 1,051.05 1,351.35 ост.rest

5. Обработка порошковых композиций в аттриторе с емкостью рабочей камеры 15 л в течение 120 мин со скоростью вращения ротора - 600 об/мин, с соотношением массы мелющих шаров к массе обрабатываемой порошковой композиции как 24:1, в среде воздуха рабочей камеры аттритора.5. Processing of powder compositions in the attritor with a working chamber capacity of 15 l for 120 min with a rotor speed of 600 rpm, with a ratio of the mass of grinding balls to the mass of the processed powder composition as 24: 1, in the air of the working chamber of the attritor.

6. Рассев полученных в аттриторе реакционным механическим легированием порошковых композиций на сите 016 (ГОСТ 6613-86).6. Sieving of powder compositions obtained in the attritor by reactive mechanical alloying on sieve 016 (GOST 6613-86).

7. Холодное двустороннее компактирование полученных реакционным механическим легированием порошковых композиций в жестком контейнере гидравлического пресса давлением 600 МПа в брикеты диаметром 25 мм.7. Cold two-sided compacting of the powder compositions obtained by reactive mechanical alloying in a rigid container of a hydraulic press with a pressure of 600 MPa into briquettes with a diameter of 25 mm.

8. Горячая вакуумная дегазация брикетов в вакуумной печи при температуре 500°C с выдержкой при этой температуре 60 мин и остаточном давлении в печи 5·10-4 мм. рт.ст.(1,33·10-8 бар).8. Hot vacuum degassing of briquettes in a vacuum furnace at a temperature of 500 ° C with holding at this temperature for 60 minutes and a residual pressure in the furnace of 5 · 10 -4 mm. Hg (1.33 · 10 -8 bar).

9. Нагрев дегазированных брикетов в электропечи до температуры 450°C, выдержка при этой температуре в течение 60 мин и последующая горячая экструзия в прутки диаметром 6,5 мм из нагретого до 415°C контейнера гидропресса со скоростью прессования 4,20 мм/с и степенью вытяжки, равной 17.9. Heating degassed briquettes in an electric furnace to a temperature of 450 ° C, holding at this temperature for 60 minutes and subsequent hot extrusion into rods with a diameter of 6.5 mm from a hydraulic press container heated to 415 ° C with a pressing speed of 4.20 mm / s and the degree of drawing equal to 17.

Из полученных прутков были изготовлены образцы, которые подвергались различным видам исследований и испытаний по стандартным методикам.Samples were made from the obtained rods, which were subjected to various types of research and testing by standard methods.

На основании проведенных металлографических исследований установлено, что во время обработки в аттриторе быстрозакристаллизованный распыленный порошок, имевший в исходном состоянии правильную (сферическую) форму (рис.2), после обработки в аттриторе стал иметь оскольчатую форму (рис.3), что свидетельствует об измельчении порошка в процессе обработки в аттриторе.Based on the metallographic studies, it was found that during processing in the attritor, the rapidly crystallized powder, which had the correct (spherical) shape in the initial state (Fig. 2), after processing in the attritor began to have a comminuted shape (Fig. 3), which indicates grinding powder during processing in the attritor.

Проведенные с использованием методов рентгеноструктурного анализа исследования тонкой структуры быстрозакристаллизованного распыленного порошка до и после его обработки в аттриторе показали, что если средний размер блоков когерентного рассеяния, характеризующий примерный размер субзерен, для порошка до обработки в аттриторе составляет 140 нм, то после обработки - 42 нм. Это свидетельствует о сильном измельчении исходной структуры порошка во время протекающей при обработке в аттриторе интенсивной пластической деформации (ИПД), за счет чего измеренная микротвердость обработанного в аттриторе порошка повысилась в 2 раза. Благодаря высокой степени ИПД, полученный порошковый композиционный материал обладает не только сильно измельченной тонкой структурой, но и сильно измельченной макроструктурой, представленной на рис.4.Studies of the fine structure of rapidly crystallized atomized powder, carried out using X-ray analysis methods, before and after its processing in the attritor showed that if the average size of coherent scattering blocks characterizing the approximate size of subgrains for the powder before processing in the attritor is 140 nm, then after processing it is 42 nm . This indicates a strong grinding of the initial powder structure during intense plastic deformation (SPD) occurring during processing in the attritor, due to which the measured microhardness of the powder treated in the attritor increased by 2 times. Due to the high degree of SPD, the obtained powder composite material possesses not only a highly ground fine structure, but also a highly ground macrostructure shown in Fig. 4.

В заявляемом порошковом композиционном материале не содержится дефицитный и дорогостоящий бериллий, что положительно сказывается на стоимости материала. Но этот материал помимо кремния, никеля, оксида алюминия и углерода дополнительно содержит железо, которое многократно дешевле бериллия, но имеет равный с ним коэффициент температурного линейного расширения - примерно, 12·10-61/°C при диапазоне температур испытаний 20…100°C.The inventive powder composite material does not contain scarce and expensive beryllium, which positively affects the cost of the material. But this material, in addition to silicon, nickel, aluminum oxide and carbon, additionally contains iron, which is many times cheaper than beryllium, but has the same coefficient of thermal linear expansion - approximately 12 · 10 -6 1 / ° C at a test temperature range of 20 ... 100 ° C.

Проведенные металлографические исследования, в том числе с использованием растрового электронного микроскопа с локальным рентгеновским микроанализатором выявили, что железо, находясь в заявляемом составе в быстрозакристаллизованном порошке алюминиевого сплава, образует с алюминием дисперсную интерметаллическую фазу Al3Fe. В быстрозакристаллизованном распыленном порошке алюминиевого сплава первичные кристаллы Al3Fe имели форму разветвленных дендритов, но после обработки порошка в аттриторе они измельчились до субмикрокристаллического состояния. Методом просвечивающей электронной микроскопии с использованием тонких фолы из прутка полученного порошкового композиционного материала и углеродных реплик от его шлифов было установлено, что средний размер частиц Al3Fe составляет 130 нм. Как известно (см. Лебедева Т.И., Конкевич В.Ю., Скотников И.А. Особенности механизма упрочнения сверхбыстрозакристаллизованных сплавов на основе системы алюминий-железо: тез. докл. 3-ей Всесоюз. конф. по металлургии гранул. - М.: ВИЛС, 1981. с.5), фаза Al3Fe обладает стабильностью при нагреве до 350°C и в столь измельченном состоянии является эффективным препятствием для скольжения дислокаций и, соответственно, затормаживает рост зерен материала при нагреве, обеспечивая ему высокую устойчивость к разупрочнению и жаропрочность.Metallographic studies, including using a scanning electron microscope with a local X-ray microanalyzer, revealed that iron, being in the inventive composition in a rapidly crystallized aluminum alloy powder, forms a dispersed intermetallic phase Al 3 Fe with aluminum. In the rapidly crystallized atomized aluminum alloy powder, the primary Al 3 Fe crystals had the form of branched dendrites, but after the powder was processed in the attritor, they were ground to a submicrocrystalline state. By transmission electron microscopy using thin fouls from a bar of the obtained powder composite material and carbon replicas from its thin sections, it was found that the average Al 3 Fe particle size is 130 nm. As is known (see Lebedeva T.I., Konkevich V.Yu., Skotnikov I.A. Features of the hardening mechanism of ultrafast crystallized alloys based on an aluminum-iron system: abstract of the 3rd All-Union conference on pellet metallurgy. - M .: VILS, 1981. p.5), the Al 3 Fe phase is stable when heated to 350 ° C and, in such a ground state, is an effective obstacle to slip dislocations and, accordingly, inhibits the grain growth of the material upon heating, providing it with high stability to softening and heat resistance.

Наличие железа в полученном порошковом композиционном материале обеспечило также связывание части свободного кремния, отрицательно влияющего на пластические свойства алюминиевых сплавов и развивающего у них склонность к горячеломкости (см. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов: уч. пособие для вузов. - М.: Металлургия, 1981, с.58-61), в фазу α(AlFeSi), что снизило опасность образования в материале трещин при нагреве и обеспечило повышение его пластических свойств.The presence of iron in the obtained powder composite material also ensured the bonding of part of free silicon, which negatively affects the plastic properties of aluminum alloys and develops a tendency to heat resistance in them (see Kolachev B.A., Livanov V.A., Elagin V.I. heat treatment of non-ferrous metals and alloys: a textbook for universities. - M .: Metallurgy, 1981, p. 58-61), in the α phase (AlFeSi), which reduced the risk of formation of cracks in the material during heating and ensured an increase in its plastic properties .

В заявляемом материале за счет существенного снижения по сравнению с материалом-прототипом содержания кремния уменьшена степень пересышенности твердого раствора алюминия и, тем самым, повышена его реакционная способность к образованию, помимо фазы Al3Fe, механохимически синтезированных упрочняющих термодинамически стабильных частиц второй фазы (оксида алюминия и карбида алюминия), так же являющихся препятствием для скольжения дислокаций и, соответственно, затормаживающих рост зерен материала при нагреве, обеспечивая ему высокую устойчивость к разупрочнению и жаропрочность.In the claimed material, due to a significant decrease in the content of silicon compared to the prototype material, the degree of oversized aluminum solid solution is reduced and, thereby, its reactivity to form, in addition to the Al 3 Fe phase, mechanochemically synthesized strengthening thermodynamically stable particles of the second phase (aluminum oxide) and aluminum carbide), which are also an obstacle to the slip of dislocations and, accordingly, inhibit the grain growth of the material upon heating, providing it with high stability resistance to softening and heat resistance.

Методом просвечивающей электронной микроскопии с использованием тонких фольг из прутка полученного порошкового композиционного материала и углеродных реплик от его шлифов было установлено наличие в нем также включений со средним размером 43 нм. Расчет электронограмм, полученных в режиме макродифракции на тонких фольгах диаметром 3 мм, а также рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализ на дифрактометре, в том числе анодных осадков растворенного материала позволили установить, что этими включениями являются частицы оксида Al2O3 и карбида Al4C3 алюминия. При этом содержание оксида алюминия в прутке полученного порошкового композиционного материала составляет 6,6…6,9% масс., что в более чем в 5 раз превышает его содержание в исходной порошковой композиции и в 2,3…66 раз - его содержание в материале, выбранном в качестве прототипа заявляемого изобретения. Это объясняется тем, что для обеспечения повышенного содержания оксида алюминия в заявляемом материале используется дополнительно вводимый в исходную порошковую композицию порошок технического алюминия, который при обработке в аттриторе механохимически синтезирует с кислородом воздушной среды в рабочей камере аттритора дополнительные частицы оксида алюминия, причем, наноразмерного уровня. При этом их количество значительно больше количества более крупных (100…200 нм) частиц оксида алюминия, представляющих собой измельченные пленки этого соединения, которыми изначально были покрыты частицы алюминиевого порошка.Using transmission electron microscopy using thin foils from a bar of the obtained powder composite material and carbon replicas from its thin sections, it was also found that it also contains inclusions with an average size of 43 nm. Calculation of electron diffraction patterns obtained in the mode of macrodiffraction on thin foils with a diameter of 3 mm, as well as X-ray diffraction and x-ray phase analysis on a diffractometer, including anode precipitates of dissolved material, made it possible to establish that these inclusions are particles of Al 2 O 3 and Al 4 C 3 aluminum carbide . The content of alumina in the rod of the obtained powder composite material is 6.6 ... 6.9% by mass, which is more than 5 times its content in the original powder composition and 2.3 ... 66 times its content in the material selected as a prototype of the claimed invention. This is explained by the fact that to ensure a high content of aluminum oxide in the claimed material, technical aluminum powder is additionally introduced into the initial powder composition, which, when processed in an attritor, mechanochemically synthesizes additional aluminum oxide particles with an oxygen atmosphere in the working chamber of the attritor, moreover, at a nanoscale level. Moreover, their number is much larger than the number of larger (100 ... 200 nm) alumina particles, which are crushed films of this compound, with which particles of aluminum powder were originally coated.

Благодаря снижению степени пересыщенности твердого раствора алюминия и наличию дополнительно вводимого в исходную порошковую смесь порошка технического алюминия, свободного алюминия становиться достаточно, чтобы при обработке в аттриторе механохимически синтезировать с углеродом и необходимый объем частиц карбида алюминия наноразмерного уровня и не оставить в матрице материала свободного (остаточного) углерода, отрицательно сказывающегося на прочностных и пластических свойствах материала. Содержание Al4C3 в полученном порошковом композиционном материале составляет, в зависимости от конкретного химического состава исходной порошковой композиции, от 4 %масс. до 5% масс.Due to the reduction in the degree of supersaturation of the aluminum solid solution and the presence of technical aluminum powder additionally introduced into the initial powder mixture, free aluminum becomes enough to mechanically chemically synthesize with carbon the necessary volume of particles of aluminum carbide of a nanoscale level and not leave free (residual) material in the matrix ) carbon, which adversely affects the strength and plastic properties of the material. The content of Al 4 C 3 in the obtained powder composite material is, depending on the specific chemical composition of the initial powder composition, from 4% by weight. up to 5% of the mass.

Исследованиями структуры порошкового композиционного материала установлено, что в нем также содержатся частицы кремния размерами 8…12 мкм и соединения Al3Ni размером 15…22 мкм. Отдельные включения достигают размеров 25…30 мкм.Studies of the structure of the powder composite material found that it also contains silicon particles with sizes of 8 ... 12 microns and Al 3 Ni compounds with a size of 15 ... 22 microns. Individual inclusions reach sizes of 25 ... 30 microns.

Описанная выше тонкая структура и макроструктура заявляемого порошкового композиционного материала сформирована в результате осуществления при его получении сразу же трех одновременно идущих процессов:The fine structure and macrostructure of the inventive powder composite material described above is formed as a result of the implementation of three simultaneously proceeding processes upon receipt thereof:

- интенсивной пластической деформации, обеспечивающей измельченность структуры и сильный наклеп материала;- intense plastic deformation, providing a finer structure and strong hardening of the material;

- дисперсионного твердения, обеспечивающего образование мелкодисперсных фаз Al3Fe, α(AlFeSi) и Al3Ni;- dispersion hardening, providing the formation of fine phases Al 3 Fe, α (AlFeSi) and Al 3 Ni;

- дисперсного упрочнения, обеспечивающего образование частиц термодинамически стабильных фаз Al2O3 и Al4C3 наноразмерного уровня.- dispersed hardening, ensuring the formation of particles of thermodynamically stable phases Al 2 O 3 and Al 4 C 3 nanoscale level.

Благодаря сбалансированному химическому составу, заявляемому в качестве изобретения, и описанной структуре, полученный порошковый композиционный материал имеет высокую степень упрочнения, сохраняющегося при его нагреве, что обусловливает высокую жаропрочность этого материала.Due to the balanced chemical composition claimed as an invention and the described structure, the obtained powder composite material has a high degree of hardening that persists when it is heated, which leads to high heat resistance of this material.

В табл.3 приведены основные физико-механические свойства полученного порошкового композиционного материала и для сравнения - материала-прототипа.Table 3 shows the main physical and mechanical properties of the obtained powder composite material and, for comparison, the prototype material.

Из табл.3 следует, что заявляемый порошковый композиционный материал имеет предел прочности при нормальной температуре 600…650 МПа при относительном удлинении 1,7…2,5% и 180…195 МПа при температуре испытаний 350°C, При этом коэффициент температурного линейного расширения в диапазоне температур испытаний (20…150)°C равен (16,8…17,4)·10-6l/°C и в диапазоне температур испытаний (20…350)°C - (18,9…19,5)·10-61/°C.From table 3 it follows that the inventive powder composite material has a tensile strength at normal temperature of 600 ... 650 MPa with a relative elongation of 1.7 ... 2.5% and 180 ... 195 MPa at a test temperature of 350 ° C, while the coefficient of thermal linear expansion in the test temperature range (20 ... 150) ° C is (16.8 ... 17.4) · 10 -6 l / ° C and in the test temperature range (20 ... 350) ° C - (18.9 ... 19.5 ) · 10 -6 1 / ° C.

Таблица 3Table 3 Номер состава порошкового композиционно
го материала
Powder Composition Number
material
Абсолютная плотность при температуре (°C) испытаний, г/см3 Absolute density at a temperature (° C) of tests, g / cm 3 Предел прочности при температуре (°C) испытаний, МПаTensile strength at temperature (° C) of tests, MPa Относительное удлинение при температу
ре (°C) испытаний, %
Elongation at temperature
re (° C) tests,%
Прецизионный предел пропорциональности при температуре (°C) испытаний, МПаPrecision limit of proportionality at temperature (° C) of tests, MPa Твердость по Виккерсу при температу
ре (°C) испытаний, МПа
Vickers hardness at temperature
re (° C) tests, MPa
Коэффициент температурного линейного расширения в диапазоне температур (°C) испытаний, 10-61/°CThe coefficient of temperature linear expansion in the temperature range (° C) of the test, 10 -6 1 / ° C
20twenty 20twenty 350350 20twenty 20twenty 350350 20twenty 20…15020 ... 150 20…35020 ... 350 1one 22 33 4four 55 66 77 88 99 1010 1one 2,682.68 645645 195195 1,91.9 215215 6565 17601760 17,417.4 19,419,4 22 2,692.69 600600 180180 2,52,5 180180 5555 16201620 17,117.1 19,219,2 33 2,622.62 650650 195195 1,71.7 195195 6060 17751775 17,517.5 19,519.5 4four 2,682.68 625625 190190 2,22.2 190190 6060 17051705 17,317.3 19,419,4 55 2,702.70 605605 185185 2,32,3 180180 5555 16401640 16,816.8 18,918.9 ПрототипPrototype 2,52-2,662,52-2,66 38-5738-57 9,94-14,409.94-14.40

Такие характеристики материала позволяют получить ожидаемый технический результат и на его основе обеспечить решение поставленной в изобретении задачи, направленной на создание порошкового композиционного материала на основе алюминия с комплексом взаимоувязанных между собою физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств и невысокой стоимостью, способного эксплуатироваться в поршнях форсированных двигателей внутреннего сгорания при температуре 350°C и выше.Such material characteristics make it possible to obtain the expected technical result and on its basis provide a solution to the problem posed in the invention aimed at creating a powder composite material based on aluminum with a set of interconnected physical, mechanical, technological and operational properties and low cost, capable of being used in forced pistons internal combustion engines at a temperature of 350 ° C and above.

По сравнению с порошковым композиционным материалом, принятым за прототип технического решения, заявляемый материал действительно имеет значительно более высокие прочностные характеристики. В частности, прецизионный предел пропорциональности, характеризующий способность материала сопротивляться микропластическим деформациям при кратковременных нагружениях, у материала-прототипа составляет при нормальной температуре 38…57 МПа, в то время как эта характеристика у заявляемого материала равна 55…65 МПа, причем при температуре испытаний 350°C. При нормальной же температуре она достигает 180…215 МПа.Compared with the powder composite material adopted as a prototype of a technical solution, the claimed material really has significantly higher strength characteristics. In particular, the precision proportionality limit characterizing the ability of a material to resist microplastic deformations under short-term loading of the prototype material at normal temperature is 38 ... 57 MPa, while this characteristic of the claimed material is 55 ... 65 MPa, and at a test temperature of 350 ° C. At normal temperature, it reaches 180 ... 215 MPa.

Коэффициент температурного линейного расширения у заявляемого материала, как и ожидалось, имеет более высокие значения, чем у материала-прототипа, но эти значения сбалансированы с прочностными характеристиками материала, особенно, при высоких температурах и вполне достаточны для достижения поставленной в изобретении цели.The coefficient of thermal linear expansion of the claimed material, as expected, has higher values than the material of the prototype, but these values are balanced with the strength characteristics of the material, especially at high temperatures and are quite sufficient to achieve the goals of the invention.

Дополнительно проведенными сравнительными стендовыми испытаниями кольцевых образцов диаметром 50 мм и с толщиной стенки 10 мм, изготовленных из заявляемого порошкового композиционного материала и применяемых для изготовления поршней ДВС стандартных алюминиевых сплавов АЛ25 (Al - 12% Si - 1,2% Mg - 2% Cu - 1% Ni - % 1 Fe - 0,5% Mn) и АК12М2МгН (Al - 12% Si - 1,2% Mg - 2% Cu - 1% Ni - % 1 Fe - 0,4% Mn), в паре со штифтами диаметром 10 мм из серого чугуна СЧ20, поджатыми усилием 200Н к боковой поверхности вращающихся со скоростью 7 м/с колец, установлено, что износ колец из заявляемого композиционного материала в 3,5 раза ниже износа колец из литейного алюминиевого сплава АЛ25 и в 2,8 раза ниже износа колец из деформируемого алюминиевого сплава АК12М2МгН. Это позволяет считать заявляемый материал более износостойким по сравнению с современными алюминиевыми сплавами, используемыми для изготовления литых и горячештампованных поршней двигателей внутреннего сгорания, в том числе форсированных.Additionally, comparative bench tests of ring samples with a diameter of 50 mm and a wall thickness of 10 mm made from the inventive powder composite material and used for the manufacture of ICE pistons of standard aluminum alloys AL25 (Al - 12% Si - 1.2% Mg - 2% Cu - 1% Ni -% 1 Fe - 0.5% Mn) and AK12M2MgN (Al - 12% Si - 1.2% Mg - 2% Cu - 1% Ni -% 1 Fe - 0.4% Mn), paired with pins with a diameter of 10 mm from gray cast iron SCH20, pressed by a force of 200 N to the lateral surface of the rings rotating at a speed of 7 m / s, it was found that the wear of the rings of the claimed composite of the material is 3.5 times lower than the wear of the rings from cast aluminum AL25 alloy and 2.8 times lower than the wear of the rings from wrought aluminum alloy AK12M2MgN. This allows us to consider the claimed material more wear-resistant compared to modern aluminum alloys used for the manufacture of cast and hot-stamped pistons of internal combustion engines, including forced ones.

Благодаря существенному снижению содержания в заявляемом материале легирующих элементов и отказ от его легирования дефицитным и дорогостоящим бериллием, он является более дешевым, чем материал-прототип.Due to a significant reduction in the content of the claimed material alloying elements and the rejection of its alloying with scarce and expensive beryllium, it is cheaper than the prototype material.

Claims (1)

Порошковый композиционный материал на основе алюминия, содержащий кремний, никель, оксид алюминия и углерод, отличающийся тем, что он дополнительно содержит железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
кремний 12,05…14,65 никель 2,80…3,40 оксид алюминия 1,05…1,30 углерод 1,35…1,65 железо 1,50…1,70 алюминий остальное
An aluminum-based powder composite material containing silicon, nickel, aluminum oxide and carbon, characterized in that it additionally contains iron in the following ratio, wt.%:
silicon 12.05 ... 14.65 nickel 2.80 ... 3.40 aluminium oxide 1.05 ... 1.30 carbon 1.35 ... 1.65 iron 1.50 ... 1.70 aluminum rest
RU2012152071/02A 2012-12-05 2012-12-05 Powder composite RU2509817C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012152071/02A RU2509817C1 (en) 2012-12-05 2012-12-05 Powder composite

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012152071/02A RU2509817C1 (en) 2012-12-05 2012-12-05 Powder composite

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2509817C1 true RU2509817C1 (en) 2014-03-20

Family

ID=50279676

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012152071/02A RU2509817C1 (en) 2012-12-05 2012-12-05 Powder composite

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2509817C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2782861C1 (en) * 2021-11-27 2022-11-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова" Material for the manufacture of an electrode-tool for electroerosion processing based on copper

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07331371A (en) * 1992-09-24 1995-12-19 Toyota Motor Corp Aluminum matrix composite having high heat resistance and high wear resistance
US6240827B1 (en) * 1997-04-10 2001-06-05 Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha Composite piston for reciprocating machine
RU2353689C2 (en) * 2006-11-15 2009-04-27 Открытое акционерное общество "Композит" Powder composite material and method of its receiving
RU2468105C1 (en) * 2011-11-18 2012-11-27 Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") Quick-crystallised alloy based on aluminium for manufacturing of pistons

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07331371A (en) * 1992-09-24 1995-12-19 Toyota Motor Corp Aluminum matrix composite having high heat resistance and high wear resistance
US6240827B1 (en) * 1997-04-10 2001-06-05 Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha Composite piston for reciprocating machine
RU2353689C2 (en) * 2006-11-15 2009-04-27 Открытое акционерное общество "Композит" Powder composite material and method of its receiving
RU2468105C1 (en) * 2011-11-18 2012-11-27 Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") Quick-crystallised alloy based on aluminium for manufacturing of pistons

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2782861C1 (en) * 2021-11-27 2022-11-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова" Material for the manufacture of an electrode-tool for electroerosion processing based on copper

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20190309402A1 (en) Aluminum alloy products having fine eutectic-type structures, and methods for making the same
CA2738936C (en) Aluminum alloy powder metal bulk chemistry formulation
JPS61291941A (en) Cast al alloy having high si content
KR100197324B1 (en) Slide member made of sintered aluminum alloy and method of production thereof
EP0821072B1 (en) Highly wear-resistant aluminium-based composite alloy and wear-resistant parts
Tekoğlu et al. Effects of reinforcement content and sequential milling on the microstructural and mechanical properties of TiB 2 particulate-reinforced eutectic Al-12.6 wt% Si composites
Chen et al. Thixocasting of hypereutectic Al–25Si–2.5 Cu–1Mg–0.5 Mn alloys using densified powder compacts
Akçamlı et al. B4C particulate-reinforced Al-8.5 wt% Si-3.5 wt% Cu matrix composites: powder metallurgical fabrication, age hardening, and characterization
Dám et al. Structural and mechanical characteristics of the Al–23Si–8Fe–5Mn alloy prepared by combination of centrifugal spraying and hot die forging
Shivaprakash et al. Studies on mild steel particulates reinforced duralumin composite fabricated through powder metallurgy route
US6706126B2 (en) Aluminum alloy for sliding bearing and its production method
RU2509817C1 (en) Powder composite
Youseffi et al. PM processing of elemental and prealloyed 6061 aluminium alloy with and without common lubricants and sintering aids
EP0746633B1 (en) Aluminium alloys
US6899844B2 (en) Production method of aluminum alloy for sliding bearing
JPH029099B2 (en)
WO2017002623A1 (en) Composite for wear-resistant ring having excellent heat conductivity
JP4704720B2 (en) Heat-resistant Al-based alloy with excellent high-temperature fatigue properties
RU2576740C1 (en) Copper powder-based antifriction composite
Kumar et al. Dual matrix and reinforcement particle size (SPS and DPS) composites: influence on tribological behavior of particulate aluminum-SiC-Gr metal matrix composites
RU2700342C1 (en) Composition of composite material based on aluminum alloy
Mohamad et al. Physical and Mechanical Properties of Ni-Cr based composites with addition of solid lubricants produced through powder metallurgy process
Galindez et al. Effects of Hot Isostatic Pressing on the Characteristics of PM Processed Mg-Based Alloys
CA2549175C (en) Methods of preparing high density powder metallurgy parts by iron based infiltration
JP4699787B2 (en) Heat-resistant Al-based alloy with excellent wear resistance and rigidity