Введение к работе
Актуальность работы. Особенности эксплуатации многих деталей машин требуют применения материалов с повышенным уровнем механических свойств. Для повышения механических свойств в промышленности наибольшее распространение получил процесс модифицирования с применением специально вводимых в расплав модификаторов.
Большая доля производства всех изделий из алюминиевых сплавов приходится на долю сплавов системы алюминий-кремний, в частности, на заэвтектические алюминиево-кремниевые сплавы (заэвтектические силумины).
Использование заэвтектических силуминов в поршневой группе
ограничивается неравномерным распределением кристаллов первичного кремния в структурах отливок. Структура становится более грубая, что приводит к охрупчиванию сплава, и снижаются механические свойства сплава, в частности, его антифрикционные свойства. Пониженная пластичность сплава вызывает хрупкое разрушение поршня при эксплуатации и выход двигателя из строя. Поэтому для повышения механических свойств заэвтектического силумина поршневой группы в сплав вводят специальные добавки – модификаторы.
На сегодняшний день, стоит задача найти такой модификатор для заэвтектического силумина, который мог бы модифицировать все фазовые составляющие сплава и улучшать их физико-химические и механические свойства. Одними из типов таких модификаторов могут служить наноразмерные частицы на основе новых материалов. Предполагается, что в результате использования новых нанопорошков, обладающих уникальными физико-химическими и механическими свойствами, отличающимися от свойств материалов того же химического состава, возможно получение сплавов с улучшенными эксплуатационными характеристиками. В качестве такой наночастицы, был рассмотрен наноуглерод, благодаря его стабильной, бездефектной форме.
Цель работы: Разработка модификатора, обеспечивающего повышение механических свойств заэвтектических силуминов на основе его комплексного воздействия на структуру и фазовый состав.
4 Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать модификатор для заэвтектических силуминов, позволяющий обеспечить повышенные механические свойства;
-
выполнить анализ возможности применения наноуглеродных частиц для измельчения структуры заэвтектических силуминов;
2. исследовать влияние параметров модифицирования (состав, количество,
температура, время) на изменение структуры и свойств заэвтектических
силуминов;
-
разработать технологию ввода модификатора, обеспечивающую его максимальную усвояемость;
-
выявить особенности формирования структуры и фазового состава заэвтектических силуминов при модифицировании наноуглеродными частицами;
5. разработать технологию модифицирования заэвтектических силуминов для
обеспечения требуемого комплекса их механических свойств.
Научная новизна заключается в следующем:
-
установлена возможность использования наноуглеродных частиц в качестве эффективных комплексных модификаторов для заэвтектических силуминов, и выявлен механизм комплексного влияния наноуглерода, заключающийся в упрочнении твердого раствора, измельчении первичных кристаллов кремния и образовании в расплаве упрочняющих химических соединений.
-
доказано, что шунгит, имеющий в составе природные наноуглероды, может являться комплексным модификатором для заэвтектических силуминов.
-
разработан способ ввода модификатора для литейных алюминиевых сплавов в виде «прутка» с наноуглеродными частицами.
Практическая ценность
1. разработана и защищена патентом (патент № 2624272) технология ввода
модификатора для литейных алюминиевых сплавов в виде «прутка» с наноуглеродными частицами.
2. предложен и защищен патентом (патент № 2609109) новый тип
модификатора в виде шунгита для алюминиево-кремниевых сплавов.
3. разработаны технологические рекомендации модифицирования
наноуглеродом заэвтектических силуминов, обеспечивающие повышение
механических свойств: твердость в 5 раз (331,6 МПа); прочность в 2 раза
(233,1 МПа).
Методы исследований
Плавка опытных сплавов производилась в индукционной печи. В качестве
исследуемых сплавов были выбраны сплавы АК18 и АК21М2.5Н2.5. В качестве
наноуглерода применялись материалы из углеродных многослойных нанотрубок
(ПНСТ 63-2015) и шунгитная порода (ТУ 2169-001-57753937-2002). Исследования
на твердость проводились согласно ГОСТ 13406-67, исследования на растяжение
согласно ГОСТ 10145-81 и ГОСТ 18299-72, на аттестованных испытательных
машинах. Для исследования микроструктуры использовались методы
электронной микроскопии и ренгено-флюоресцентного анализа.
Достоверность результатов работы обеспечивается корректным
применением положений физического металловедения, использованием
современных методов исследований, анализа и обработки экспериментальных данных, подтвержденных экспериментами.
Апробация диссертационной работы
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на
научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения
главного конструктора П. А. Колосова, на II МТФ "Инновации. Технологии.
Производство" в 2015 году; на межвузовской студенческой научно-технической
конференции "Молодежь в науке" в 2015 году; в 2015 на II Всероссийской
международной студенческой научно-технологическом фестивале
«ВУЗПРОМФЕСТ»; в 2016 на III Всероссийском международном студенческом научно-технологическом фестивале «ВУЗПРОМФЕСТ». Также по теме диссертационной работы, в 2014 году был получен грант фонда содействия
6 развитию малых форм предприятия в научно-технической сфере, победитель программы "УМНИК".
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей, из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен патенты № 2624272 и № 2609109.
Личный вклад автора: Все экспериментальные данные, анализ результатов, изложенных в диссертационной работе, были получены автором лично, либо при его непосредственном участии. Автором осуществлялось проведение экспериментов, обработка данных экспериментов, анализ результатов экспериментов, а так же их интерпретация.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, общего вывода, списка использованной литературы, содержащего 151 источниников. Диссертация изложена на 177 страницах машинописного текста, содержит 31 таблицу, 100 рисунков.