CC BY
8
УДК 539.374
ПОВЫШЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЛИТОГО КОРПУСА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА НАНОМОДИФИЦИРОВАНИЕМ
Г. Г. Крушенко1' 2, О. А. Платонов2, С. Н. Решетникова2, А. Н. Киселева3
Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50 E-mail: [email protected] 2 Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected] 3АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
E-mail: [email protected]
Описана технология модифицирования сплава системы Al-Si нанопорошком нитрида титана, которая обеспечила получение литых корпусных деталей с повышенными механическими свойствами.
Ключевые слова: сплав системы Al-Si, отливка корпуса, модифицирование нанопорошком нитрида титана, повышенные механические свойства.
IMPROVEMENT OF MECHANICAL PROPERTIES OF THE MOLDED BODY OF THE VEHICLE WITH NANOMODIFICATION
G. G. Krushenko1, 2, O. A. Platonov2, S. N. Reshetnikova2, A. N. Kiseleva3
institute Computational Modeling SB RAS 50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation E-mail: [email protected] 2Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected] 3JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: [email protected]
The technique of modification of the alloy system Al-Si nanopowder titanium nitride, which provide the cast body parts with improved mechanical properties.
Keywords: alloy system Al-Si, cast body parts, modification with nanopowder titanium nitride, high mechanical properties.
Введение. В последние годы все большее внимание уделяется нанопорошкам (НП) химических соединений, которые представляют собой частицы с размерами не больше 100 нм (1 нм = 10-9 м), ввиду того, что они обладают уникальными физико-механическими свойствами, существенно отличающихся от свойств материалов того же состава в массивном состоянии, что связано с тем, что количество атомов в их поверхностном слое и в объеме оказывается соизмеримым. Ультрадисперсные системы состоят из фрагментов, размеры которых (в трех или двух измерениях) сравнимы с длиной свободного пробега каких-либо коллективных возбуждений, либо с характерной корреляционной длиной того или иного явления [1]. Важнейшей особенностью
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 1
частиц НП является наличие у них развитой поверхности, вблизи которой находится значительная доля атомов [2; 3]. Согласно прогнозам [4], обладающие такими свойствами НП при их применении в технике могут обеспечить получение материалов с повышенными характеристиками, что и было реализовано на практике при получении металлоизделий машиностроительного профиля из различных сплавов по десяткам запатентованных технологий с применением НП нитридов, карбидов и оксидов различных элементов (опробовано более 20-ти соединений) [5-7]. В проведенных исследованиях в основном использовались НП, полученные методом плазмохи-мического синтеза, который по своим технологическим возможностям и технико-экономическим показателям является наиболее перспективным из известных способов [8]. Можно полагать, что плазмохимические НП представляют собой энергонасыщенные материалы - это материалы, претерпевшие при каком-либо энергетическом воздействии структурное и/ или химическое превращение, в результате чего они находятся в метастабильном состоянии. В сущности, они являются аккумуляторами энергии внешнего воздействия [9].
Технология введения НП в расплав. Существующие способы введения в металлические расплавы порошкообразных добавок не могут быть приняты при использовании НП вследствие их особых свойств. Так, частицы НП легко конгломерируются и окисляются при низких температурах, а также плохо смачиваются жидким металлом, что особенно важно при кристаллизации. Поэтому был разработан способ введения НП в расплав в объеме прутков, отпрессованных из композиции «частицы алюминия + НП» [10]. При этом исходили из необходимости предотвращения контакта частиц порошка с кислородом в процессе их введения, беспрепятственного проникновения частиц через окисную пленку, исключения агрегирования и контролируемого дозирования по массе. Полученные таким способом прутки имели тонкостенную поверхность, а их внутренний объем состоял из плотно спрессованных волокон плакированных частицами НП.
Наномодифицирование сплава системы Al-Si при литье корпусной детали транспортного средства. Объектом исследования послужила деталь транспортного средства типа тела вращения со сложной конфигурацией внутренней стенки, к механическим и антикоррозионным характеристикам которой предъявляются повышенные требования в связи с тем, что эти детали работают в экстремальных высоконагруженных условиях в агрессивной среде. Деталь получали литьем из сплава типа АК9ч, легированного Cu и Mg с добавкой модифицирующих и упрочняющих компонентов в пределах 0,01...0,50 масс. %. Наружная поверхность отливки оформлялась в кокиле, а внутренняя - с помощью песчаного стержня. Черновая масса отливки составляет 25 кг. Требуемые механические свойства деталей в термообработанном состоянии должны составлять: временное сопротивление разрушению ств > 350 МПа, предел текучести ст0,2 > 240 МПа, относительное удлинение 5 > 5,0 %, твердость НВ > 110.117. Сплав готовили в индукционной печи. Дегазацию сплава производили при гексахлорэтаном C2CI6, модифицирование производили стандартным модификатором (25,0 % NaF + 12,5 % KCl + 62,5 % NaCl), затем вводили модифицирующую чушковую лигатуру Al-10 %Ti. От каждой плавки заливали по три детали и одновременно с заливали в кокиль по три пробы-свидетеля, из которых впоследствии после термической обработки в одной садке с деталями вырезали образцы для испытания механических свойств. Термическая обработка производилась по следующему режиму: двухступенчатая закалка: нагрев до 505±5 °С, выдержка 2 ч; последующий нагрев до 525±5 °С, выдержка 8 ч; охлаждение в воде (Т > 200 °С) с выдержкой не менее 15 мин; при этом длительность переноса деталей из закалочной печи в емкость с водой не должна превышать 30.30 с; старение: нагрев до 160±5 °С; выдержка не менее 6 ч; охлаждение на воздухе; в результате старения должна быть получена твердость НВ в пределах 110.117. Однако при работе по стандартной заводской технологии механические свойства не всех отливок соответствовали этим требованиям. Поэтому, исходя из предыдущего опыта успешного применения НП [11], было решено использовать НП и при литье корпусной детали. С этой целью применяли нанопорошок нитрида титана TiN, применение которого в ранее проведенных исследованиях показало высокую эффективность. При этом при приготовлении сплава вместо лигатуры Al-10 % Ti в расплав в объеме прутка 0 9,5 мм вводили частицы НП TiN, в результате чегго были получены детали с механическими свойства, пре-
вышающими требуемые (временное сопротивление разрушению ств > 350 МПа; предел текучести ст0,2 > 240 МПа; относительное удлинение 5, % > 5,0 %; твердость по Бринеллю, НВ > 113 ед.) и составляли в среднем: ств - 360 МПа (больше на 2,86 %); ст0,2 - 255,5 МПа (больше на 6,5 %); 5 - 6,0 % (больше на 20 %); НВ - 116,0 МПа (больше на 2,2 %).
Заключение. В результате модифицирования сплава нанопорошком нитрида титана были получены из сплава системы Al-Si отливки корпуса c повышенными механическими свойствами.
Библиографические ссылки
1. Морохов И. Д., Трусов Л. И., Чижик С. П. Ультрадисперсные металлические среды. М. : Атомиздат, 1977. 264 с.
2. Характерные особенности ультрадисперсных сред / И. В. Тананаев, В. Б. Федоров, Л. В. Малюкова и др. // ДАН СССР. 1985. Т. 283, № 6. С. 1364-1367.
3. Зубов В. И. Об особенностях термодинамики ультрадисперсных систем // Физикохимия ультрадисперсных систем : материалы IV Всерос. конф. М. : МИФИ, 1998. С. 23-26.
4. Гусев А. И. Эффекты нанокристаллического состояния в компактных металлах и их соединениях // УФН. 1998. Т. 168, № 1. С. 55-83.
5. Упрочнение металлических, полимерных и эластомерных материалов ультрадисперсными порошками плазмохимического синтеза / М. Ф. Жуков, И. Н. Черский, А. Н. Черепанов и др. Новосибирск : Наука. Сиб. изд. фирма РАН, 1999. 312 с.
6. Крушенко Г. Г. Применение нанопорошков химических соединений для улучшения качества металлоизделий // Технология машиностроения. 2002. № 3. С. 3-6.
7. Трещиностойкость и механические свойства конструкционных материалов технических систем / В. В. Москвичев, Н. А. Махутов, И. А. Зырянов и др. Новосибирск : Наука, 2002. 334 с.
8. Возможности плазменного синтеза для получения ультрадисперсных порошков, в том числе с предельно малыми размерами частиц / Ю. В. Цветков, Н. В. Алексеев, А. В. Самохин и др. // Физикохимия ультрадисперсных систем : материалы IV Всерос. конф. М. : МИФИ, 1998. С. 55-56.
9. Жереб В. П., Ендржеевская В. Ю., Тарасова Л. С. Новые энергонасыщенные материалы на основе метастабильных кристаллических силикатов и германатов висмута // Перспективные материалы, технологии, конструкции : сб. науч. тр. / Сиб. аэрокосмич. акад. Красноярск, 1997. Вып. 3. С. 85-89.
10. А. с. СССР № 1157104 А1 МПК С22С 1/06 Состав для модифицирования. Заявка № 3507236 от 03.11.1982 / Г. Г. Крушенко, Б. А. Балашов, М. Ф. Жуков и др. // Б. и. 1985. № 19.
11. Крушенко Г. Г. Применение нанопорошков химических соединений для улучшения качества металлоизделий // Технология машиностроения. 2002. № 3. С. 3-6.
© Крушенко Г. Г., Платонов О. А., Решетникова С. Н., Киселева А. Н., 2017
