Transport engineering Transport engineering Транспортное машиностроение 2782-5957 75898 10.30987/2782-5957-2024-3-59-69 Материаловедение и технологии материалов Material Science and Materials Engineering Материаловедение и технологии материалов STUDY OF THE EFFECT OF ADDING FINE PHASE OF TITANIUM CARBIDE SYNTHESIZED IN THE MELT, AND HEAT TREATMENT ON THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF AM4.5Kd ALLOY ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДОБАВКИ ВЫСОКОДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ КАРБИДА ТИТАНА, СИНТЕЗИРОВАННОЙ В РАСПЛАВЕ, И ТЕРМООБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СПЛАВА АМ4,5Кд https://orcid.org/0000-0002-5451-7107 Шерина Юлия Владимировна Sherina Yuliya Vladimirovna yulya.makhonina.97@inbox.ru

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Самарский государственный технический университет Самара Россия Samara State Technical University Samara Russian Federation ООО «НИПП «Вальма» Россия RPE Valma Russian Federation 29 03 2024 29 03 2024 2024 3 59 69 31 01 2024 19 02 2024 https://naukaru.ru/en/nauka/article/75898/view

Приводятся результаты исследования, посвященного изучению влияния армирования высокодисперсной фазой карбида титана в количестве 10 масс.% на физико-механические и триботехнические свойства промышленного алюминиевого сплава марки АМ4,5Кд. Проведен анализ физико-механических (плотность, пористость, коэффициент термического линейного расширения, твердость, микротвердость) и триботехнических (скорость износа, коэффициент терения, температура саморазогрева) свойств композиционного материала АМ4,5Кд-10%TiC, полученного методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза до и после термической обработки. Выявлено, что образцы композита после проведения термической обработки обладают хорошим сочетанием физико-механических свойств, а именно низким уровнем пористости, низким значением коэффициента термического линейного расширения (КТЛР), повышенными в 2 раза значениями твердости и микротвердости. Следует обратить особое внимание, что армирование керамической фазой в комплексе с термической обработкой, приводит к значительному повышению уровня износостойкости матричного сплава (в 9 раз) и уменьшению коэффициента трения (в 4 раза). Таким образом, по результатам комплекса проведенных исследований, полученный композиционный материал АМ4,5Кд-10%TiC можно рекомендовать в качестве материала, используемого в узлах трибосопряжений.

The study results are given which are devoted to finding the effect of reinforcement with fine phase of titanium carbide in the amount of 10 masses% on the physico-mechanical and tribotechnical properties of industrial aluminum AM4.5Kd alloy. The physico-mechanical (density, porosity, coefficient of thermal linear expansion, hardness, microhardness) and tribotechnical (wear rate, friction factor, self-heating temperature) properties of the composite material AM4.5Kd-10%TiC obtained by self-propagating high-temperature synthesis before and after heat treatment are analyzed. It is found out that composite samples after heat treatment have a good combination of physical and mechanical properties, namely a low level of porosity, a low value of the coefficient of thermal linear expansion, and the values of hardness and microhardness are increased twice. Special attention should be paid to the fact that reinforcement with a ceramic phase in combination with heat treatment leads to a significant increase in the level of wear resistance of the matrix alloy (by 9 times) and a decrease in the friction factor (by 4 times). Thus, according to the results of the studies conducted, the resulting composite material AM4.5Kd-10%TiC can be recommended as a material used in tribological assemblies.

 композиционный материал алюминий карбид титана трибология высокотемпературный синтез composite material aluminum titanium carbide tribology high-temperature synthesis

Kim D. Y., Choi H.J. «Recent Developments towards Commercialization of Metal Matrix Composites". Materials (Basel). 2020;13(12):2820-2828. DOI: 10.3390/ ma13122828. Kim DY, Choi HJ. Recent developments towards commercialization of metal matrix composites. Materials (Basel). 2020;13(12):2820-2828. DOI: 10.3390/ ma13122828. Lovshenco F. G., Lozikov I. A., Khabibutin A. I. «High-temperature aluminum composite materials with special physical and mechanical properties produced by mechanical alloying». Foundry production and metallurgy. 2020;3; 99-111. DOI: 10.21122 16X3-6065-2020-3-99−111. Lovshenco FG, Lozikov IA, Khabibutin AI. High-temperature aluminum composite materials with special physical and mechanical properties produced by mechanical alloying. Foundry Production and Metallurgy. 2020;3; 99-111. DOI: 10.21122 16X3-6065-2020-3-99−111. Alam M. A., Ya H. H., Azeem M., Yusuf M., Soomro I. A., Masood F., Shozib I.A., Sapuan S. M., Akhter J. «Artificial Neural Network Modeling to Predict the Effect of Milling Time and TiC Content on the Crystallite Size and Lattice Strain of Al7075-TiC Composites Fabricated by Powder Metallurgy. Crystals. 2022;12:372-392. DOI: 10.3390/cryst12030372. Alam MA, Ya HH, Azeem M, Yusuf M, Soomro IA, Masood F, Shozib IA, Sapuan SM, Akhter J. Artificial neural network modeling to predict the effect of milling time and TiC content on the crystallite size and lattice strain of Al7075-TiC composites fabricated by powder metallurgy. Crystals. 2022;12:372-392. DOI: 10.3390/cryst12030372. Shi Q., Mertens R., Dadbakhsh S., Li G., Yang S. «In-situ formation of particle reinforced Aluminium matrix composites by laser powder bed fusion of Fe2O3/AlSi12 powder mixture using laser melting/remelting strategy». Journal of Materials Processing Technology. 2022;299:117357. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2021.117357. Shi Q, Mertens R, Dadbakhsh S, Li G, Yang S. In-situ formation of particle reinforced Aluminium matrix composites by laser powder bed fusion of Fe2O3/AlSi12 powder mixture using laser melting/remelting strategy. Journal of Materials Processing Technology. 2022;299:117357. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2021.117357. Амосов А.П., Луц А.Р., Латухин Е.И., Ермошкин А.А. Применение процессов СВС для получения in situ алюмоматричных композиционных материалов, дискретно армированных наноразмерными частицами карбида титана (обзор). Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. 2016. №1. С.39-49. DOI: 10.17073/0021-2016-1-39-49. Amosov AP, Lutz AR, Latukhin EI, Ermoshkin AA. Application of SHS processes for the production of in situ aluminium matrix composites discretely reinforced with nanosized titanium carbide particles (review). Izvestiya. Non-ferrous Metallurgy. 2016;1:39-49. DOI: 10.17073/0021-2016-1-39-49. Луц А.Р., Амосов А.П., Латухин Е.И., Ермошкин А.А. Армирование сплава Al-5%Cu наночастицами карбида титана методом СВС в расплаве. Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2017. Т. 19. №1(3). С.529-535. Lutz AR, Amosov AP, Latukhina EI, Ermoshkin AA. Reinforcing Al-5%Cu alloy with titanium carbide nanoparticles by SHS method in melt. Izvestia of Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2017;19(1(3)):529-535. Луц А.Р., Шерина Ю.В., Амосов А.П., Качура А.Д. Жидкофазное получение методом СВС и термическая обработка композитов на основе алюминиево-магниевых сплавов, упрочненных высокодисперсной фазой карбида титана. Известия вузов. Цветная металлургия. 2023. Т.59. №4. С.70-86. DOI: 10.17073/0021-3438-2023-4-70-86. Lutz AR, Sherina YuV, Amosov AP, Kachura AD. Liquid matrix SHS manufacturing and heat treatment of Al-Mg composites reinforced with fine titanium carbide. Izvestiya. Non-ferrous Metallurgy. 2023;59(4):70-86. DOI: 10.17073/0021-3438-2023-4-70-86. Kainer K.U., Huang Y.D., Hort N., Dieringa H., Liu Y.L. «Microstructural investigations of interfaces in short fiber reinforced AlSi12CuMgNi composites». Acta Materialia. 2005;53:3913-3923. DOI: 10.1016/j.actamat.2005.04.039. Kainer KU, Huang YD, Hort N, Dieringa H, Liu YL. Microstructural investigations of interfaces in short fiber reinforced AlSi12CuMgNi composites. Acta Materialia. 2005;53:3913-3923. DOI: 10.1016/j.actamat.2005.04.039. Курганова Ю.А. Разработка и применение дисперсно упрочненных алюмоматричных композиционных материалов в машиностроении. Дисс. на соиск. уч. степени доктора технич. наук. Москва. 2008. 285 С. Kurganova YuA. Development and application of dispersed hardened aluminum matrix composites in mechanical engineering [dissertation]. [Moscow (RF)]; 2008. Миронова Е.В., Затуловский А.С., Косинская А.В., Затуловский С.С. Литые композиционные материалы на основе алюминиевого сплава для автомобилестроения. Киев. 2006. 3 С. Mironova EV, Zatulovsky AS, Kosinskaya AV, Zatulovsky SS. Cast composites based on aluminum alloy for the automotive industry. Kyev; 2006. Михеев Р.С. Разработка износостойкиз дисперсно-наполненных компощиционных материалов и покрытий из них. Дисс. на соик. уч. степени канд. техн. наук. М.: МИСиС. 2010. 202 С. Mikheev RS. Development of wear-resistant polymer-filled composites and their coatings [dissertation]. [Moscow (RF)]: MISiS; 2010. М.Л. Хазин, Р.А. Апакашев. Новые материалы для деталей горных машин. Горный информационно-аналитический бюллетень. MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2023. №12 С.149-163. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_121_0_149. Khazin ML, Apakashev RA. New materials for mining machine parts. MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2023;12:149-163. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_121_0_149. Михеев Р. С., Чернышова Т. А. Алюмоматричные композиционные материалы с карбидным упрочнением для решения задач новой техники. М.: Издательская группа URSS, 2013. 360 С. ISBN 978-5-91146-913-9. Mikheev RS, Chernyshova TA. Aluminium matrix composites reinforced with carbide for solving problems of new technology. Moscow: URSS Publishing Group; 2013. Adiga K., Herbert M.A., Rao S. S., Shettigar A. «Applications of reinforcement particles in the fabrication of Aluminium Metal Matrix Composites by Friction Stir Processing». Manufacturing Review. 2022;9(26):1-17. DOI: 10.1051/mfreview/2022025. Adiga K, Herbert MA, Rao SS, Shettigar A. Applications of reinforcement particles in the fabrication of aluminium metal matrix composites by friction stir processing. Manufacturing Review. 2022;9(26):1-17. DOI: 10.1051/mfreview/2022025. Nayak K. C., Rane K. K., Date P. P., Srivatsan T. S. «Synthesis of an Aluminum Alloy Metal Matrix Composite Using Powder Metallurgy: Role of Sintering Parameters». Applied Science. 2022;12:8843. DOI: 10.3390/app12178843. Nayak KC, Rane KK, Date PP, Srivatsan TS. Synthesis of an aluminum alloy metal matrix composite using powder metallurgy: role of sintering parameters. Applied Science. 2022;12:8843. DOI: 10.3390/app12178843. Hamid F. S., EL-Nikhaily A., Abd Ellatif H. R., El kady O. A. «Morphology and Mechanical Properties of Al-TiC Nanocomposite Processed via Ball Milling Technique». International Journal of Materials Technology & Innovation (IJMTI). 2021;1:18-29. DOI: 10.21608/ijmti.2021.181121. Hamid FS, EL-Nikhaily A, Abd Ellatif HR, El kady OA. Morphology and mechanical properties of Al-TiC nanocomposite processed via ball milling technique. International Journal of Materials Technology & Innovation (IJMTI). 2021;1:18-29. DOI: 10.21608/ijmti.2021.181121. Maziarz W., Bobrowski P., Wójcik A., Bigos A., Szymański Ł., Kurtyka P., Rylko N., Olejnik E. «Microstructure and Mechanical Properties of In Situ Cast Aluminum Based Composites Reinforced with TiC Nano-Particles». MSF. 2020;985:211-217. DOI: 10.4028/www.scientific.net/msf.985.211. Maziarz W, Bobrowski P, Wójcik A, Bigos A, Szymański Ł, Kurtyka P, Rylko N, Olejnik E. Microstructure and mechanical properties of In situ cast aluminum based composites reinforced with TiC nano-particles». MSF. 2020;985:211-217. DOI: 10.4028/www.scientific.net/msf.985.211. Mohapatra S., Chaubey A. K., Mishra D. K., Singh S. K. «Fabrication of Al-TiC composites by hot consolidation technique: its microstructure and mechanical properties». Journal of Materials Research and Technology. 2016;5(2):117-122. DOI: 10.1016/j.jmrt.2015.07.001. Mohapatra S, Chaubey AK, Mishra DK, Singh SK. Fabrication of Al-TiC composites by hot consolidation technique: its microstructure and mechanical properties. Journal of Materials Research and Technology. 2016;5(2):117-122. DOI: 10.1016/j.jmrt.2015.07.001. Sohag A. Z., Gupta P., Kondal N., Kumar D., Singh N., Jamwal A. «Effect of ceramic reinforcement on the microstructural, mechanical and tribological behavior of Al-Cu alloy metal matrix composite». Materials Today Proceedings. 2020;21:1407-1411. DOI: 10.1016/j.matpr.2019.08.179. Sohag AZ, Gupta P, Kondal N, Kumar D, Singh N, Jamwal A. Effect of ceramic reinforcement on the microstructural, mechanical and tribological behavior of Al-Cu alloy metal matrix composite. Materials Today Proceedings. 2020;21:1407-1411. DOI: 10.1016/j.matpr.2019.08.179. Veeravalli R. R., Nallu R., Mohammed M. M.-S. «Mechanical and tribological properties ofAA7075-TiC metal matrix composites under heattreated (T6) and cast conditions». Journal Materres Technol. 2016;7:377-383. DOI: 10.1016/j.jmrt.2016.03.011. Veeravalli RR, Nallu R, Mohammed M M-S. Mechanical and tribological properties ofAA7075-TiC metal matrix composites under heattreated (T6) and cast conditions. Journal Materres Technol. 2016;7:377-383. DOI: 10.1016/j.jmrt.2016.03.011. Uvaraja V.C. «Heat Treatment Parameters to Optimize Friction and Wear behavior of Novel Hybrid Aluminium Composites Using Taguchi Technique». International Journal of Engineering and Technology. 2014;6(2):939-947. Uvaraja VC. Heat treatment parameters to optimize friction and wear behavior of novel hybrid aluminium composites using taguchi technique. International Journal of Engineering and Technology. 2014;6(2):939-947. Шерина Ю.В., Луц А.Р., Качура А.Д., Шигин С.В. Исследование влияния вида флюса на синтез литого композиционного материала АМг2-10%TiC. Транспортное машиностроение. 2023. №7(9). С.40-48. DOI: 10.30987/2782-5957-2023-7-40-48. Sherina YuV, Lutz AR, Kachura AD, Shigin SV. Study of the influence of flux type of on the synthesis of cast composite material AMg2-10%TiC. Transport Engineering. 2023;7(9):40-48. DOI: 10.30987/2782-5957-2023-7-40-48. Меркулова Г.А. Металловедение и термическая обработка цветных сплавов: учеб. пособ. Красноярск. 2008. 312 С. Merkulova GA. Metallology and heat treatment of non-ferrous alloys: textbook. Krasnoyarsk; 2008. Mohapatra S., Chaubey A. K., Mishra D. K., Singh S. K. «Fabrication of Al-TiC composites by hot consolidation technique: its microstructure and mechanical properties». Journal of Materials Research and Technology. 2016;2(5):117-122. DOI: 10.1016/j.jmrt.2015.07.001. Mohapatra S, Chaubey AK, Mishra DK, Singh SK. Fabrication of Al-TiC composites by hot consolidation technique: its microstructure and mechanical properties. Journal of Materials Research and Technology. 2016;2(5):117-122. DOI: 10.1016/j.jmrt.2015.07.001. Ali M. «Review of stir casting technique and technical challenges for ceramic reinforcement particulate and aluminium matrix composites». Journal of Silicate Based and Composite Materials. 2020;6(72):198-204. DOI: 10.14382/epitoanyag-jsbcm.2020.32. Ali M. Review of stir casting technique and technical challenges for ceramic reinforcement particulate and aluminium matrix composites. Journal of Silicate Based and Composite Materials. 2020;6(72):198-204. DOI: 10.14382/epitoanyag-jsbcm.2020.32. Rosso M. «Ceramic and metal matrix composites: Routes and properties». Journal of Materials Processing Technology. 2006;1(175):364-375. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2005.04.038. Rosso M. Ceramic and metal matrix composites: routes and properties. Journal of Materials Processing Technology. 2006;1(175):364-375. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2005.04.038. Прусов Е.С. Развитие научных основ создания литых комплексно-армированных алюмоматричных композиционных материалов для отливок ответственного назначения. Дисс. на соик. уч. степени доктора техн. наук. Нижний Новгород. 2023. 365 С. Prusov ES. Development of scientific foundations for creating cast complexly reinforced aluminium matrix composites for high-duty castings [dissertation]. [Nizhny Novgorod (RF)]; 2023. Белов Н.А. Фазовый состав алюминиевых сплавов. Научное издание. М.: Изд. Дом МИСиС. 2009. 392 С. ISBN 978-5-87623-375-2. Belov NA. Phase composition of aluminum alloys. Scientific edition. Mosocw: MISiS; 2009. Аксенов А.А. Оптимизация состава и структуры композиционных материалов на алюминиевой и медной основе, получаемых жидкофазными методами и механическим легированием. Дисс. на соиск. уч. степени доктора техн. наук. Москва. 2007. 390 С. Aksenov AA. Composition and structure optimization of aluminum- and copper-based composites obtained by liquid phase methods and mechanical alloying [dissertation]. [Moscow (RF)]; 2007. 390 P. Калашников И.Е. Развитие методов армирования и модифицирования структуры алюмоматричных композиционных материалов. Дисс. на соиск. уч. степени доктора техн. наук. Москва. 2011. 428 С. Kalashnikov IE. Development of reinforcement and modification methods of aluminium matrix composite structure [dissertation]. [Moscow (RF)]; 2011. М. Х. Мохаммед, С. В. Коновалов, И. А. Панченко, Д. Д. Пашкова. Исследование свойств и структуры алюмоматричных композитов, армированных частицами TiO2. Ползуновский вестник. 2022. Т.2. №4. С.7-13. DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921.2022.4.2.001. Mohammed MH, Konovalov SV, Panchenko IA, Pashkova DD. Study of the properties and structure of aluminum matrix composites formed by TiO2 particles. Polzunovskiy Vestnik. 2022;2(4):7-13. DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921.2022.4.2.001.