МЕТАЛЛОМАТРИЧНЫЙ КОМПОЗИТ
METAL-MATRIX COMPOSITE

Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно к композиционным материалам с алюминиевой матрицей и наноразмерными упрочняющими частицами (наноалмазами).
Известен металломатричный композит, включающий алюминиевую матрицу и упрочняющие частицы, получаемый замешиванием упрочняющих частиц в расплавленом металле (Modling O.T. and Grong О. Processing and Properties of Particle Reinforced Al-SiC MMCs. "Key Engineering Materials", Vols.104-107 (1995), pp.329-354). Однако такой металломатричный композит не может содержать упрочняющие частицы малых размеров.
Наиболее близким техническим решением является металломатричный композит, содержащий матрицу из алюминия или алюминиевого сплава и упрочняющие частицы, которые являлись исходным компонентом для получения композита методом механического легирования (Popov, V.A. MMC Production Method Using Dynamic Consolidation of Mechanically Alloyed Aluminum and Silicon Carbide Powders. /V.A.Popov, A.Aksenov, V.V.Ivanov, D.R.Lesuer. Proceedings of the 8 International Conference on Aluminum Alloys (ICAA8), held in Cambridge, UK, July 2-5, 2002./ Materials Science Forum. - Vol.396-402. - P.289-294). Однако упрочняющие частицы имеют большой размер и это не приводит к максимально возможному уровню механических свойств и не позволяет получить детали с низкой шероховатостью.
Задачей изобретения является повышение прочостных характеристик и обеспечение возможности получения деталей с низкой шероховатостью поверхности, что может быть достигнуто при применении упрочняющих частиц с размером менее 10 нм. В данном техническом решении предлагается применить в качестве упрочняющих частиц наноалмазы, размер которых составляет 4-6 нм. В изобретении применен установленный (обнаруженный) эффект повышенного окисления металлов (в данном случае алюминия) при наличии на поверхности значительного количества неагломерированных наночастиц (в данном случае наноалмазных частиц).
Поставленная задача достигается тем, что в металломатричном композите, содержащем матрицу из алюминия или алюминиевого сплава и упрочняющие частицы, которые являлись исходным компонентом для получения композита методом механического легирования, в качестве упрочняющих частиц, которые являлись исходным компонентом, композит содержит наноалмазы в количестве 1-30 объемных процентов, внедренные в матрицу в течение 0,2-5 часов механического легирования, и дополнительно в композите содержатся наночастицы оксида алюминия, образующиеся в процессе изготовления композита, в количестве, не превышающем 10 объемных процентов.
Поставленная задача может достигаться также тем, что в металломатричном композите упрочняющими частицами являются алмазные наночастицы, предварительно подвергнутые термической обработке в течение 0,2-10 часов в вакууме или инертном газе.
Поставленная задача может достигаться также тем, что в металломатричном композите содержатся алмазные наночастицы, предварительно подвергнутые термической обработке при температуре от 200 до 990°C.
Поставленная задача может достигаться также тем, что в металломатричном композите содержатся алмазные наночастицы, предварительно подвергнутые термической обработке при температуре от 990 до 1300°C.
Металломатричный композит, содержащий матрицу из алюминия или алюминиевого сплава и упрочняющие частицы, которые являлись исходным компонентом для получения композита методом механического легирования, в качестве упрочняющих частиц, которые являлись исходным компонентом, композит содержит наноалмазы в количестве 1-30 объемных процентов, внедренные в матрицу в течение 0,2-5 часов механического легирования, и дополнительно композит содержит наночастицы оксида алюминия, образующиеся в процессе изготовления композита, в количестве, не превышающем 10 объемных процентов. Данное техническое решение предложено после того, как был обнаружен эффект повышенного окисления металлов при контакте с кислородом при наличии на его поверхности значительного количества неагломерированных наночастиц. Наночастицы всегда агломерируются, то есть объединяются в прочные агломераты. У наноалмазов детонационного синтеза различают первичные и вторичные агломераты, размеры которых могут достигать 0,5-1 мм. При таких размерах частицы не влияют на процессы окисления, то есть повышенного окисления не обнаруживается. Механическое легирование позволяет осуществить раздробление агломератов вплоть до единичных наночастиц. Следует заметить, что алюминиевая поверхность при контакте с кислородом сразу пассивируется образованием слоя оксида алюминия. Наличие на поверхности алюминия значительного количества неагломерированных наночастиц приводит к увеличению слоя оксида алюминия, при этом оксиды образуют также наночастицы. Этот факт был подтвержден сканирующей электронной микроскопией. Из литературы известно, что частицы оксида алюминия могут выступать эффективными упрочняющими частицами. Ранее проводились исследования о возможности применения алмазных частиц в качестве упрочняющих частиц для алюминиевой матрицы, которые не дали положительных результатов, так как эти исследования проводились с применением традиционных технологических схем порошковой металлургии, то есть простое смешение и спекание. Предлагаемый композит получают методом механического легирования, в этом случае с контактной поверхности между упрочняющей частицей и матрицей удаляются все посторонние соединения и т.п., что и позволяет добиваться повышенной прочности. При этом агломераты наночастиц полностью разбиваются и в композите (и, следовательно, на его поверхности, то есть на поверхности деталей и изделий из такого композита) наноалмазные упрочняющие частицы находятся в неагломерированном состоянии, то есть их размер составляет 4-6 нм. А это позволяет получать шероховатость поверхности чрезвычайно малую (в случае применения крупных упрочняющих частиц шероховатость нельза получить малую, так как упрочняющие частицы, выходя на поверхность композита, ее повышают).
Экспериментально получено, что при содержании наноалмазных упрочняющих частиц 10% (объемных) (при этом содержание наночастиц оксида алюминия составляло 8%) в матрице из алюминиевого сплава АК7 предел прочности при сжатии составлял 770 МПа. Это говорит о высокой эффективности применения наноалмазов в качестве упрочняющих частиц.
Содержание наноалмазов в алюминиевой матрице должно состалять 1-30% (объемных). При содержании менее 1% эффективность их применения практически отсутствует. При увеличении более 30% эффективность применения наноалмазов в алюминиевой матрице падает по нескольким причинам. Так, при увеличении содержания наноалмазов более 30% чрезвычайно затруднено внедрение наноалмазов в матрицу. Некоторая часть наноалмазов остается на поверхности гранул, что в дальнейшем препятствует консолидации гранул в объемный матреиал или приводит к резкому снижению прочности. С другой стороны, повышенное количество наноалмазов требует увеличения времени обработки более 5 часов, а в этом случае начинаются процессы образования карбида алюминия, что также приводит к снижению прочности композита.
Гранулы композита должны получать механическим легированием в течение 0,2-5 часов. Если механическое легирование будет осуществлено менее 0,2 часов, то наноалмазные частицы не внедрятся в матрицу и не произойдет полного разбиенмя агломератов, что приведет к снижению механических характеристик. Механическое легирование более 5 часов приводит к образованию карбида алюминия, что приводит к снижению прочностных характеристик.
Композит содержит наночастицы оксида алюминия, образующиеся в процессе изготовления композита, в количестве, не превышающем 10 объемных процента. Уже указывалось, что предложение основывается на обнаруженном эффекте повышенного окисления при контакте с кислородом поверхности композита, на которой находятся неагломерированные наночастицы. Если обеспечить условия, при которых оксида алюминия образуется более 10%, то это приведет к снижению механических свойств, так как увеличится доля контакта «наноламаз - оксид алюминия». Нижний предел может находится около 0, но такие малые доли обеспечить чрезвычайто дорого. Просто и недорого обеспечить нижний уровень около 0,5%.
Возможно, что в металломатричном композите упрочняющими частицами являются алмазные наночастицы, предварительно подвергнутые термической обработке в течение 0,2-10 часов в вакууме или инертном газе. Отличительной особенностью наноалмазов является наличие на поверхности наночастиц различных функциональных групп (гидроксильных, карбонильных и др.). Во время отжига в температурном интервале от 200 до 990°C эти функциональные группы разлагаются, что в последующем облегчает достижение бездефектного контакта с алюминиевой матрицей. При этом не происходит трансформации наноалмазов в луковичнообразные графитообразные углеродные наночастицы. Обработка в течение времени менее чем 0,2 часа не приведет к полному разложению этих групп, а время обработки более чем 10 часов не приведет к дальнейшему изменению поверхностных слоев. Атмосфера отжига должна быть безокислительной, иначе материал может сгореть. Возможно проводить отжиг в водороде при температурах до 500°C, что позволит заместить функциональные группы на водород, что значительно снизит количество «инородного» материала на поверхности наночастиц.
Отжиг в температурном интервале 990-1300°C приведет к частичной графитизации наноалмазов. То есть механическое легирование приведет к формированию комбинации «алюминиевая матрица + наноалмаз + оксид алюминия + графит (или аморфный углерод)».
При этом возможно замещение контакта «алюминий - алмаз» на контакт «алюминий - графит». Из литературы известно, что такая комбинация обладает высокими прочностными характеристиками.
Эффект повышенного окисления наблюдается при наличии на поверхности композита отдельно лежащих наночастиц (в данном случае наноалмазных частиц) при наличии кислорода в окружающей атмосфере. То есть для того, чтобы оксиды появились, необходимо осуществить допуск кислорода к поверхности композита в тот момент, когда на его поверхности уже нет агломератов наночастиц, а только отдельно лежащие наночастицы. Это можно сделать в последние минуты механического легирования, или в процессе извлечения гранул из планетарной мельницы, или в процессе подпрессовки.
Достижение задачи изобретения подтверждается следующими примерами.
Пример 1
Композиционный материал «алюминиевый сплав АК7 + 1% наноалмазов» был получен с применением метода механического легирования в атмосфере аргона. Механическое легирование осуществляли в планетарной мельнице в течение 0,2 часа. Образованные при механическом легировании в аргоне гранулы переместили на воздухе в форму для прессования и осуществили холодную подпрессовку. Затем осуществили нагрев и горячую экструзию. Полученный материал подвергли исследованию, которое показало наличие наноалмазов, полное отсутствие карбида алюминия и наличие оксида алюминия в пределах 1%. Из полученного материала изготовили 3 образца на сжатие и провели испытание, которое показало, что предел прочности достиг 450 МПа. Агломераты наноалмазов были полностью разрушены и на поверхности деталей из композита включения упрочняющих частиц обнаружено не было, что позволило осуществить полировку.
Пример 2
Композиционный материал «алюминиевый сплав Д16 + 30% наноалмазов» был получен с применением метода механического легирования в атмосфере аргона. Механическое легирование осуществляли в планетарной мельнице в течение 5 часов. Образованные при механическом легировании в аргоне гранулы переместили на воздухе в форму для прессования и осуществили холодную подпрессовку. Затем осуществили нагрев и горячее прессование с выдержкой при температуре 350°C в течение 30 мин. Полученный материал подвергли исследованию, которое показало наличие наноалмазов, полное отсутствие карбида алюминия и наличие оксида алюминия в пределах 10%. Из полученного материала изготовили 3 образца на сжатие и провели испытание, которое показало, что предел прочности достиг 650 МПа. Агломераты наноалмазов были полностью разрушены и на поверхности деталей из композита включения упрочняющих частиц обнаружено не было, что позволило осуществить полировку.
Пример 3
Композиционный материал «алюминиевый сплав АК7 + 10% наноалмазов» был получен с применением метода механического легирования в атмосфере аргона. Часть наноалмазов была термически обработана при 500°C в вакууме в течение 0,2 часа. Механическое легирование осуществляли в планетарной мельнице в течение 2 часов как с наноламазами, отоженными при 500°С, так и с неотоженными наноалмазами. Образованные при механическом легировании в аргоне гранулы переместили на воздухе в форму для прессования и осуществили холодную подпрессовку. Затем осуществили нагрев и горячую экструзию. Полученный материал подвергли исследованию, которое показало наличие наноалмазов, полное отсутствие карбида алюминия и наличие оксида алюминия в пределах 8%. Из каждого полученного материала изготовили по 3 образца на сжатие и провели испытание, которое показало, что предел прочности у материала с отоженными наноалмазами достиг 770 МПа, а с неотоженными - 700 МПа. Агломераты наноалмазов были полностью разрушены и на поверхности деталей из композита включения упрочняющих частиц обнаружено не было, что позволило осуществить полировку.
Пример 4
Композиционный материал с алюминиевой матрицей и наноалмазными упрочняющими частицами был получен с применением метода механического легирования в атмосфере аргона. Для матрицы применили алюминиевый сплав Д16, в исходном состоянии он был представлен в виде стружки с максимальным размером 3-4 мм в длину. Для упрочняющих частиц был выбран порошок наноалмазов. Объемная доля составляла 20%. Наноалмазный порошок был отожжен в вакууме при температуре 1000°C в течение 10 часов. Исходные компоненты разместили в барабанах планетарной мельницы в среде аргона. Механическое легирование осуществляли в планетарной мельнице в течение 3 часов. Образованные при механическом легировании в аргоне гранулы переместили на воздухе в форму для прессования и осуществили холодную подпрессовку. Затем осуществили нагрев и горячую экструзию. Полученный материал подвергли исследованию, которое показало наличие наноалмазов и графитообразного материала, полное отсутствие карбида алюминия и наличие оксида алюминия в пределах 9%. Из полученного материала изготовили 3 образца на сжатие и провели испытание, которое показало, что предел прочности достиг 680 МПа. Агломераты наноалмазов были полностью разрушены и на поверхности деталей из композита включения упрочняющих частиц обнаружено не было, что позволило осуществить полировку.