Ученые Университета науки и технологий МИСИС запатентовали улучшенный алюминиево-кальциевый сплав (системы Al—8%Ca—1%Ni—2%Mn), который идеально подойдет для производства более долговечных двигателей легковых, грузовых и сельскохозяйственных машин. Благодаря уникальным характеристикам из него также можно изготовить сварно-литые конструкции и узлы в летательных аппаратах; приборную технику в космической промышленности, а также детали для кораблестроения, где требуется повышенная коррозионная стойкость. Новый сплав прост в изготовлении, для его производства требуется гораздо меньше финансовых и трудовых затрат по сравнению с традиционными сплавами.
Постоянно растущие требования к удельной мощности, а также необходимость снижения вредных выбросов, снижение шума, более эффективный расход топлива и масла — главные инженерные задачи для двигателя. Для поршней эти проблемы выражаются в требованиях максимальной прочности и теплостойкости в сочетании с минимальным весом. Для тяжелонагруженных поршней, работающих при температурах до 300 °С, необходимо иметь не только определенный уровень механических свойств (прочности, твердости, пластичности), но также низкий коэффициент термического расширения и достаточно высокую теплопроводность. Для их производства традиционно используются алюминиево-кремниевые сплавы Al-Si, или силумины. Самый распространенный — АК18, т.е. Алюминиево-Кремниевый сплав, где кремния 18%. Он характеризуется низкой пластичностью, связанной с повышенной долей крупных хрупких кристаллов первичного кремния, что вызывает необходимость модифицирования сплавов этого типа при выплавке. Еще одним недостатком является необходимость проведения полного цикла термической обработки, включая закалку, для их упрочнения. Это увеличивает стоимость изделий и нередко приводит к появлению нежелательного брака, в частности, к нестабильности размеров.
«Алюминиево-кальциевые сплавы (Al-Ca), в отличие от силуминов, обладают пониженной плотностью, удачным сочетанием механических свойств и высокой коррозионной стойкостью, а совместное введение добавок марганца (Mn) и никеля (Ni) способствует упрочнению сплава. Кальций позволяет связать марганец и никель в тройные соединения, которые обладают благоприятной компактной морфологией и не оказывает отрицательного влияния на механические свойства, в частности, пластичность», — отметил соавтор разработки Николай Белов, д.т.н., профессор кафедры обработки металлов давлением НИТУ МИСИС.
Снижение себестоимости продукции также является одной из важнейших задач любого производства, а это невозможно без повышения технологических свойств используемых материалов. Для многих изделий современной техники требуются легкие материалы с заданным комплексом физико-механических свойств. Особенностью Al-Ca-сплавов является то, что тонкое строение эвтектики может быть достигнуто без использования специальных модификаторов, а значит гораздо дешевле и проще в изготовлении. По совокупности характеристик этот сплав может рассматриваться в качестве основы для разработки заэвтектических сплавов нового поколения как альтернативы силуминам типа АК18.
«Выбор способов и режимов деформации сплавов, в принципе, является непростой задачей. Наш сплав Al-Ca-Ni-Mn обладает высокой технологичностью при производстве не только фасонных отливок, но и деформированных полуфабрикатов. Ранее считалось, что это взаимоисключающие характеристики. Высокие температуры затвердевания и отсутствие легкоплавких фаз обеспечивают повышенную жаропрочность этих сплавов по сравнению с силуминами. Это свойство позволяет изготовить более прочные и долговечные поршни для двигателей внутреннего сгорания», — объясняет автор патента Евгения Наумова, к.т.н., доцент кафедры обработки металлов давлением НИТУ МИСИС.
По словам исследовательницы, к другим преимуществам относятся: низкая плотность; высокая коррозионная стойкость; высокая износостойкость; высокие литейные свойства и хорошая свариваемость. Изделия можно получить с помощью обычных технологий — литья и деформации, без дорогостоящего модифицирования при выплавке и упрочнять без закалки. Более того, новый сплав можно производить из вторичного сырья.
Сплав разработан в рамках проекта РНФ № 20.19.00746.
Дальнейшие исследования сосредоточены на поисках композиций с улучшенным комплексом физико-механических свойств и методов повышения их прочности. В частности, ученые выяснили, что легирование сплава Al-Ca железом (Fe) и марганцем (Mn) дополнительно улучшает структуру и увеличивает прочность. Улучшение баланса прочности и пластичности сплава достигается за счет кручения под высоким давлением. Всего за 3 оборота прочность увеличилась в 5 раз, а относительное удлинение сплава в 1,5 раза. Результаты описаны в международном научном журнале Materials Letters (Q1).
