Получение нанокомпозиционного материала с матрицей на основе алюминиевого сплава Al-7Si методом механического замешивания в стальную литейную форму с переменной толщиной стенок и исследование его характеристик

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. Сплав Al-7Si является одним из ключевых алюминиевых сплавов, поскольку обладает удачным сочетанием литейных и механических свойств. Металломатричные композиты (ММК), армированные керамическими частицами, находят широкое применение в высокотехнологичных отраслях, таких как военная, автомобилестроительная, аэрокосмическая и электротехническая промышленность. Целями данного исследования являются: (1) изучение возможности получения композиционных материалов на основе сплава Al-7Si, армированных различным количеством наночастиц TiO2, с применением метода механического замешивания; (2) исследование влияния толщины стенки литейной формы на микроструктуру и механические свойства сплава Al-7Si в процессе затвердевания; (3) анализ влияния содержания армирующего компонента на механические свойства и износостойкость полученных композиционных материалов. Методология. Методом механического замешивания были изготовлены металломатричные композиционные материалы на основе сплава Al-7Si, содержащие 0, 2, 4 и 6 масс. % наночастиц TiO2. Для металлографических и механических испытаний были подготовлены цилиндрические образцы диаметром 15 мм и длиной 18 мм. Результаты и обсуждение. Установлено, что скорость затвердевания возрастает с увеличением толщины стенки литейной формы. Это приводит к росту скорости охлаждения и, как следствие, к формированию более мелкозернистой структуры. Микроструктура отливки демонстрирует изменение размера зерна от мелкого к крупному при переходе от внешней поверхности (прилегающей к внутренней стенке формы) к внутренней части отливки. В связи с этим микротвердость вблизи внутренней стенки формы оказывается выше. Измерения плотности показывают, что композиты с более высокой массовой долей армирующих частиц имеют большую пористость. В то же время результаты испытаний на твердость и износостойкость свидетельствуют о том, что увеличение содержания частиц TiO2 приводит к повышению твердости и значительному снижению скорости изнашивания композиционных материалов.

Об авторах

Х. Абдельазиз

Email: kalidelaziz@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-9139-548X
доктор техн. наук, профессор; 1. Кафедра материаловедения, Факультет машиностроения, Университет Загазига, Загазиг, 44519, Египет; 2. Кафедра машиностроения, Инженерный колледж, Университет Таиф, Таиф, 21944, Саудовская Аравия; kalidelaziz@gmail.com

Д. Сабер

Email: daliasaber13@yahoo.com
ORCID iD: 0000-0002-7349-1723
доктор техн. наук, профессор; 1. Кафедра материаловедения, Факультет машиностроения, Университет Загазига, Загазиг, 44519, Египет; 2. Программа промышленного инжиниринга, Кафедра машиностроения, Инженерный колледж, Университет Таиф, Таиф, 21944, Саудовская Аравия; daliasaber13@yahoo.com

Список литературы

  1. Effect of TiB2 nanoparticle content on the microstructure and mechanical properties of TiB2/Mg-4Al-1.5Si composites / J. Liu, X. Chen, W. Wang, Y. Zhao, N. He // Materials. – 2023. – Vol. 16. – P. 2852. – doi: 10.3390/ma16072852.
  2. Nassar A.E., Nassar E.E. Properties of aluminum matrix nano composites prepared by powder metallurgy processing // Journal of King Saud University – Engineering Sciences. – 2017. – Vol. 29 (3). – P. 295–299. – doi: 10.1016/j.jksues.2015.11.001.
  3. Fabrication of Al/A206–Al2O3 nano/micro composite by combining ball milling and stir casting technology / S. Tahamtan, A. Halvaee, M. Emamy, M.S. Zabihi // Materials and Design. – 2013. – Vol. 49. – P. 347–359.
  4. Soltani M.A., Jamaati R., Toroghinejad M.R. The influence of TiO2 nano particles on bond strength of cold roll bonded aluminum strips // Materials Science and Engineering: A. – 2012. – Vol. 550. – P. 367–374.
  5. Saber D., Taha I.B.M., Abd El-Aziz Kh. Wear behavior prediction for Cu/TiO2 nanocomposite based on optimal regression methods // Materials Research. – 2023. – Vol. 26. – P. e20220263.
  6. Effect of cooling rate on microstructure and properties of SiCP/A359 composites / Z. Jin, L. Jia, W. Wang, Y. Liu, Y. Qi, H. Zhang // Materials & Design. – 2023. – Vol. 234. – P. 112297.
  7. Megahed M., Saber D., Agwа M.A. Modeling of wear behavior of Al-Si/Al2O3 metal matrix composites // Physics of Metals and Metallography. – 2019. – Vol. 120 (10). – P. 981–988.
  8. Shet V.S., Mahadev U.M. Investigation on tribological behavior of metal matrix composites (Al6063-TiO2) // International Journal of Recent Engineering Research and Development (IJRERD). – 2017. – Vol. 2 (8). – P. 117–148.
  9. Corrosive wear of alumina particles reinforced Al–Si alloy composites / D. Saber, Kh. Abd El-Aziz, R. Abdel-Karim, A.A. Kandel // Physics of Metals and Metallography. – 2020. – Vol. 121 (2). – P. 197–203.
  10. Development of Al–Mg–Si alloy performance by addition of grain refiner Al–5Ti–1B alloy / Kh. Abd El-Aziz, E.M. Ahmed, A.H. Alghtani, B.F. Felemban, H.T. Ali, M. Megahed, D. Saber // Science Progress. – 2021. – Vol. 104 (2). – doi: 10.1177/00368504211029469.
  11. The influence of TiO2 nanoparticles on the mechanical properties and microstructure of AA2024 aluminium alloy / H.M. Mahan, S.V. Konovalov, K. Osintsev, I. Panchenko // Materials and Technology. – 2023. – Vol. 57 (4). – P. 379–384.
  12. Mg-based metal matrix composite in biomedical applications: a review / S. Mohanasundaram, M. Bhong, G. Vatsa, R.P. Verma, M. Srivastava, G. Kumar, K.A. Mohammed, D. Singh, L.R. Gupta // Materials Today: Proceedings. – 2023. – doi: 10.1016/j.matpr.2023.03.043.
  13. Hossein-Zadeh M., Mirzaee O., Saidi P. Structural and mechanical characterization of Al-based composite reinforced with heat treated Al2O3 particles // Materials and Design. – 2014. – Vol. 54. – P. 245–250.
  14. Characterization and performance evaluation of Cu-based/TiO2 nano composites / D. Saber, Kh. Abd El-Aziz, B.F. Felemban, A.H. Alghtani, H.T. Ali, E.M. Ahmed, M. Megahed // Scientific Reports. – 2022. – Vol. 12 (1). – P. 6669.
  15. Effect of nano-TiO2 particles addition on dissimilar AA2024 and AA2014 based composite developed by friction stir process technique / S.P. Dwivedi, S. Sharma, Ch. Li, Y. Zhang, A. Kumar, R. Singh, S.M. Eldin, M. Abbas // Journal of Materials Research and Technology. – 2023. – Vol. 26. – P. 1872–1881.
  16. Al-Jaafari M.A.A. Study the effects of titanium dioxide nanoparticles reinforcement on the mechanical properties of aluminum alloys composite // IOP Conference Series. Materials Science and Engineering. – 2021. – Vol. 1105. – P. 012062.
  17. A critical review of fabrication routes and their effects on mechanical properties of AMMCs / J. Lade, K.A. Mohammed, D. Singh, R.P. Verma, P. Math, M. Saraswat, L.R. Gupta // Materials Today: Proceedings. – 2023. – doi: 10.1016/j.matpr.2023.03.041.
  18. Dewangan S., Ganguly S.K., Banchhor R. Analysis of Al 6061–TiO2–CNT metal matrix composites produced by stir casting process // International Journal of Engineering and Management Research. – 2018. – Vol. 8. – P. 147–152.
  19. Atta M., Megahed M., Saber D. Using ANN and OA techniques to determine the specific wear rate effectors of A356 Al-Si/Al2O3 MMC // Neural Computing & Applications. – 2022. – Vol. 34. – P. 14373–14386. – doi: 10.1007/s00521-022-07215-3.
  20. Effect of La on the wettability of Al2O3 by molten aluminum / N. Shao, J.W. Dai, G.Y. Li, T. Hane // Materials Letters. – 2004. – Vol. 58 (14). – P. 2041–2044.
  21. Abd El-Aziz Kh. Mechanical properties improvements of the materials used in manufacturing of food processing equipment’;s and containers using different techniques // Asian Journal of Applied Science and Technology. – 2023. – Vol. 7 (4). – P. 156–175.
  22. Saber D., Taha I.B.M., Abd El-Aziz Kh. Prediction of the corrosion rate of Al–Si alloys using optimal regression methods // Intelligent Automation & Soft Computing. – 2021. – Vol. 29 (3). – P. 757–769. – doi: 10.32604/iasc.2021.018516.
  23. Gorny A., Tyrala E. Effect of cooling rate on microstructure and mechanical properties of thin-walled ductile iron castings // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2013. – Vol. 22. – P. 300–305.
  24. Influence of casting mould wall thickness on the properties and microstructure of A356 alloy reinforced with micro/nanoalumina particles / Kh. Abd El-Aziz, A.A. Abo El-Nasr, A. Elfasakhany, D. Saber, M. Helal // Arctic Journal. – 2018. – Vol. 71 (7). – P. 26–39.
  25. Ashwath P., Xavior M.A. Compression and diametral tensile strength analysis of graphene–Al2O3 reinforced AA 2024 and AA 2219 hybrid nanocomposites // Advances in Micro and Nano Manufacturing and Surface Engineering. – Singapore: Springer, 2019. – P. 19–32.
  26. Role of CNT in influencing the mechanical properties of the Mg-based composites: an overview / B. Chandrasekhar, A. Dharme, S. Kumar Sharma, R. Taluja, O.A. Jarali, R. Kalra, G. Kumar // Materials Today: Proceedings. – 2023. – doi: 10.1016/j.matpr.2023.02.385.
  27. Effect of mould wall thickness on rate of solidification of centrifugal casting / Madhusudhan, S. Narendranaath, G.C. Mohankumar, P.G. Mukunda // International Journal of Engineering Science and Technology. – 2010. – Vol. 2 (11). – P. 6092–6096.
  28. On influence of Ti and Sr on microstructure, mechanical properties and quality index of cast eutectic Al–Si–Mg alloy / S. Haro-Rodríguez, R.E. Goytia-Reyes, R. Goytia, K.D. Dheerendra // Materials & Design. – 2011. – Vol. 32. – P. 1865–1871.
  29. Microstructural characterization of recycled Al–Mg–Si-based alloys upon the synergistic effect of ultrasonic technology (UT) and novel refiners / Q. He, G. Zhang, S. Zhang, D. Teng, H. Jia, J. Li, R. Guan // Journal of Materials Research and Technology. – 2024. – Vol. 31. – P. 481–495.
  30. Hamasaiid A., Dargusch M.S., Dour G. The impact of the casting thickness on the interfacial heat transfer and solidification of the casting during permanent mold casting of an A356 alloy // Journal of Manufacturing Processes. – 2019. – Vol. 47. – P. 229–237.
  31. Effect of cooling rate on microstructure and mechanical properties in Al-Si alloys / S.B. Kang, J. Zhang, S. Wang, J. Cho, V.U. Stetsenko // Proceedings of the 12th International Conference on Aluminium Alloys, Yokohama, Japan. – The Japan Institute of Light Metals, 2010. – P. 675–680.
  32. Effect of mould sand type and casting wall thickness on properties and microstructure of multivariate Al–7·5Si–4Cu alloy / G.L. Liu, N.C. Si, S.C. Sun, Q.F. Wu // Materials Research Innovations. – 2013. – Vol. 17, suppl. 1. – P. 246–250. – doi: 10.1179/1432891713Z.000000000224.
  33. Study of the effect of hafnium and erbium content on the formation of microstructure in aluminium alloy 1590 cast into a copper chill mold / A.A. Ragazin, V.Yu. Aryshensky, S.V. Konovalov, E.V. Aryshenskii, I. Bakhtegareev // Metal Working and Material Science. – 2024. – Vol. 26 (1). – P. 99–112.
  34. Liu X., Zhao Q., Jiang Q. Effects of cooling rate and TiC nanoparticles on the microstructure and tensile properties of an AleCu cast alloy // Materials Science & Engineering: A. – 2020. – Vol. 790. – P. 139737.
  35. The control of NbB2 particles in Al-NbB2 master alloy and its effect on grain refinement of AZ91 magnesium alloy / W. Fan, Y. Bai, G. Zuo, H. Hao // Materials Science & Engineering: A. – 2022. – Vol. 854. – P. 143808.
  36. Relationship between cooling rate, microstructure evolution, and performance improvement of an AleCu alloy prepared using different methods / C. He, W. Yu, Y. Li, Z. Wang, D. Wu, G. Xu // Materials Research Express. – 2020. – Vol. 7 (11). – P. 116501.
  37. The role of cooling rate on microstructure in a sand-cast Al-Cu-Ag alloy containing high amounts of TiB2 / L. Ravkov, B. Diak, M. Gallerneault, P. Clark, G. Marzano // Canadian Metallurgical Quarterly. – 2021. – Vol. 60 (2). – P. 57–65.
  38. Grain refining performance of Al-B master alloys with different microstructures on Al-7Si alloy / T.M. Wang, Z.N. Chen, H.W. Fu, T.J. Li // Metals and Materials International. – 2013. – Vol. 19 (2). – P. 367–370.
  39. Effect of high cooling rate on the solidification microstructure of Al-Cu/TiB2 alloy fabricated by freeze-ablation casting / X. Kong, Y. Wang, H. Fan, J. Wu, H. Xu, H. Mao // Journal of Materials Research and Technology. – 2023. – Vol. 25. – P. 593–607.
  40. Dewangan R., Sharma B.P., Sharma S.S. Investigation of hardness behavior in aluminum matrix composites reinforced with coconut shell ash and red mud using Taguchi analysis // Metal Working and Material Science. – 2024. – Vol. 26 (3). – P. 179–191.
  41. Effect of reinforcement concentration on the properties of hot extruded Al-Al2O3 composites synthesized through microwave sintering process / M.P. Reddy, F. Ubaid, R.A. Shakoor, G. Parande, V. Manakari, A.M.A. Mohamed, M. Gupta // Materials Science & Engineering: A. – 2017. – Vol. 696. – P. 60–69.
  42. Advanced metal matrix nanocomposites / M. Malaki, W. Xu, A.K. Kasar, P.L. Menezes, H. Dieringa, R.S. Varma, M. Gupta // Metals. – 2019. – Vol. 9 (3). – P. 330.
  43. Kok M. Production and mechanical properties of Al2O3 particle-reinforced 2024 aluminium alloy composites // Journal of Materials Processing Technology. – 2005. – Vol. 161 (3). – P. 381–387.
  44. Study of microstructural and mechanical properties of Al/SiC/TiO2 hybrid nanocomposites developed by microwave sintering / M.R. Mattli, P.R. Matli, A. Khan, R.H. Abdelatty, M. Yusuf, A.A. Ashraf, R.G. Kotalo, R.A. Shakoor // Crystals. – 2021. – Vol. 11. – P. 1078. – doi: 10.3390/cryst11091078.
  45. Golnaz N.A., Arvin T.T., Aghajani H. Investigation on corrosion behavior of Cu–TiO2 nanocomposite synthesized by the use of SHS method // Journal of Material Research and Technology. – 2019. – Vol. 8 (2). – P. 2216–2222.
  46. Walker J.C., Rainforth W.M., Jones H. Lubricated sliding wear behaviour of aluminium alloy composites // Wear. – 2005. – Vol. 259. – P. 577–589.
  47. Khandoori G., Mer K.K.S., Chandraveer Singh. Sliding behaviour of aluminium metal matrix composite reinforced with TiO2 // International Journal of Resent Scientific Research. – 2015. – Vol. 6 (5). – P. 4197–4203.
  48. Photocatalytic TiO2-based nanostructures as a promising material for diverse environmental applications: a review / M.-A. Gatou, A. Syrrakou, N. Lagopati, E.A. Pavlatou // Reactions. – 2024. – Vol. 5. – P. 135–194. – doi: 10.3390/reactions5010007.
  49. Antony Vasantha Kumar C., Selwin Rajadurai J. Influence of rutile (TiO2) content on wear and microhardness characteristics of aluminium-based hybrid composites synthesized by powder metallurgy // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2016. – Vol. 26 (1). – P. 63–73. – doi: 10.1016/S1003-6326(16)64089-X.
  50. Wear, optimization and surface analysis of Al-Al2O3-TiO2 hybrid metal matrix composites / N. Ahamad, A. Mohammad, K.K. Sadasivuni, P. Gupta // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology. – 2021. – Vol. 235 (1). – P. 93–102. – doi: 10.1177/1350650120970432.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».