Разработка и внедрение комплексно-армированных алюмоматричных композиционных сплавов системы [al]-tio2-b(с)-ti-sic
На правах рукописи
ПРУСОВ Евгений Сергеевич РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ КОМПЛЕКСНО-АРМИРОВАННЫХ АЛЮМОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ [Al]-TiO2-B(С)-Ti-SiC Специальность 05.16.04 – Литейное производство
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Владимир - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ).
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Панфилов Алексей Александрович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ганеев Альмир Амирович кандидат технических наук, доцент Рязанов Сергей Алексеевич
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» (СПбГПУ)
Защита состоится 28 февраля 2012 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.025.03 при ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых» по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д. 87, корп. 1, ауд. 335.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых».
Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим направлять по адресу: 600000, г. Владимир, ул.
Горького, д. 87, ФГБОУ ВПО ВлГУ, диссертационный совет Д 212.025.03, а также по факсу (4922) 47-97-79 или по e-mail: [email protected].
Автореферат разослан и размещен на сайте университета http://www.vlsu.ru «_» января 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент А.А. Панфилов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы В настоящее время большое внимание в научных и практических исследованиях уделяется созданию новых функциональных и конструкционных сплавов, обладающих комплексом повышенных свойств. Особое место среди них занимают металломатричные композиционные сплавы, поскольку их физико-механические и эксплуатационные характеристики значительно превосходят свойства традиционных сплавов. Значительный объем исследований связан с разработкой алюмоматричных композиционных сплавов (АКС). Однако характер взаимодействия армирующих фаз и особенности формирования структуры и свойств при получении АКС до настоящего времени недостаточно изучены, что сдерживает их широкое промышленное применение. Поэтому разработка новых АКС и технологий их получения является одной из актуальных научно-технических задач в этой области.
Из известных способов получения литейных АКС наиболее распространенным является механическое замешивание армирующих частиц в расплав благодаря своей относительной простоте и экономичности. Однако способ имеет ряд существенных недостатков, главными из которых является сильное газонасыщение и окисление расплава в процессе активного механического перемешивания и, как следствие, повышенная пористость отливок. Поэтому в последнее время активно ведутся исследования по разработке и освоению таких жидкофазных технологий получения АКС, в которых армирование матрицы осуществляется не вводом упрочнителей извне, а за счет формирования заданных эндогенных фаз в объеме матричного сплава при протекании контролируемых химических реакций между предварительно введенными компонентами (in-situ-процесс). Большинство процессов in-situ (в частности, методы, основанные на использовании порошковых прекурсоров) основаны на явлении самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Однако АКС, армированные только эндогенными фазами, зачастую не обеспечивают достижения заданного уровня физико-механических и эксплуатационных свойств. Перспективным направлением расширения потенциальных возможностей АКС с точки зрения формирования заданных свойств и обеспечения более высокой эффективности их применения является разработка технологий комплексного армирования матрицы эндогенными и экзогенными фазами.
Работа выполнена в соответствии с аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009 2011 годы), а также при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в рамках программы «У.М.Н.И.К.».
Исходя из вышеизложенного, цель работы заключается в создании алюмоматричных композиционных сплавов (АКС), армированных эндогенными и экзогенными фазами, и разработке на основе жидкофазного СВС-процесса технологии их получения для изделий с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
Разработать новые многокомпонентные композиционные сплавы на 1.
основе алюминиевой матрицы с выбором рационального состава армирующего комплекса.
Выявить закономерности взаимодействия исходных компонентов и 2.
механизм образования фазовых составляющих при получении АКС систем [Al]-TiO2-B-Ti-SiC и [Al]-TiO2-С-Ti-SiC.
Разработать технологические режимы жидкофазного СВС-процесса 3.
получения АКС, комплексно-армированных эндогенными и экзогенными фазами.
Установить закономерности изменения структуры, механических и 4.
триботехнических свойств АКС системы [Al]-TiO2-B(С)-Ti-SiC с различной долей армирующих фаз.
Оценить возможность переработки и рециклинга АКС.
5.
Научная новизна работы заключается в следующем:
предложен и экспериментально обоснован механизм межфазного взаимодействия компонентов при получении АКС системы [Al]-TiO2 B(С)-Ti-SiC, позволяющий в условиях жидкофазного СВС-процесса прогнозировать формирование заданных эндогенных армирующих фаз;
выявлены особенности жидкофазного СВС-процесса получения комплексно-армированных АКС системы [Al]-TiO2-B(С)-Ti-SiC;
установлено влияние экзогенных наполнителей на скорость протекания реакций синтеза эндогенных армирующих фаз при получении АКС и выявлены закономерности их формирования в условиях жидкофазного СВC-процесса;
выявлена зависимость механических и триботехнических свойств композитов на основе сплава АК12М2МгН от содержания компонентов в составе армирующего комплекса;
установлено влияние переплавов АКС систем Al-Ti, Al-Ti-SiC, Al-TiO2 B(С)-Ti-SiC на равномерность распределения и размеры армирующих фаз.
Практическая значимость работы:
разработаны и оптимизированы составы АКС, обеспечивающие высокие в сравнении с матричными сплавами триботехнические свойства, а также технологические режимы их получения, обеспечивающие полное протекание реакций синтеза эндогенных армирующих фаз Al2O3, TiB2, TiC, TiAl3 (и др.) и высокую степень усвоения экзогенной фазы SiC;
дана сравнительная оценка механических и триботехнических свойств базового сплава АК12М2МгН с композитом на его основе, подтверждающая эффективность использования нового сплава;
разработана и внедрена в действующее производство технология получения многокомпонентных АКС при выпуске отливок триботехнического назначения;
показана принципиальная возможность переработки и повторного использования АКС систем Al-Ti, Al-Ti-SiC, Al-TiO2-B(С)-Ti-SiC.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается корректным использованием теории термодинамики и контактных явлений в металлических расплавах, теории оптимизации, современных методов исследования структуры и свойств АКС (рентгенофазовый анализ, оптическая металлография и растровая электронная микроскопия), методов математического планирования эксперимента и статистической обработки результатов с использованием современного программного обеспечения, сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными данными, широкой апробацией на различных российских и международных конференциях и семинарах, а также реализацией результатов работы в производственных условиях.
Личный вклад автора Основные теоретические положения и научные результаты получены автором самостоятельно. Экспериментальные исследования и обсуждение результатов проведены совместно с соавторами опубликованных работ.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Состав комплексно-армированного композиционного сплава и особенности технологии получения АКС с применением жидкофазного СВС-процесса.
2. Закономерности взаимодействия исходных компонентов и механизм образования фазовых составляющих при получении АКС системы [Al] TiO2-B(С)-Ti-SiC в условиях жидкофазного СВС-процесса.
3. Результаты сравнительной оценки механических и триботехнических свойств базового сплава АК12М2МгН с АКС на его основе.
4. Влияние переплавов АКС на равномерность распределения и размеры армирующих фаз.
5. Результаты опытно-промышленного внедрения технологии получения комплексно-армированных АКС системы АК12М2МгН-{TiO2-B(С)-Ti SiC} для изготовления отливок триботехнического назначения.
Апробация работы. Основные результаты работы представлены на следующих научно-технических и научно-практических конференциях: XIX международной Интернет-ориентированной конференции молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения «МИКМУС», Москва, 2007;
VIII международной конференции «Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях», п.
Славское, Карпаты, 2008;
XXVIII, XXIX, XXX международной конференции и выставке «Композиционные материалы в промышленности» (СЛАВПОЛИКОМ), г. Ялта, 2008, 2009, 2010;
V международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизация изделий» (МЕЕ 2008), г. Б. Ялта, Жуковка, 2008;
I, III международной конференции «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества», г. Суздаль, 2008, 2010;
V Российской конф. молодых научных сотрудников и аспирантов, ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН, Москва, 2008;
IX съезде литейщиков России, г. Уфа, 2009;
научно-методической конференции «Патентно-лицензионная деятельность в государственном научно-образовательном секторе и организациях, образующих национальную нанотехнологическую сеть Владимирской области»;
V международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии», НИТУ МИСиС, Москва, 2009;
IV Всероссийской конференции «Химия поверхности и нанотехнология», Хилово, 2009;
I, II международной конференции и школе-семинаре «Современные нанотехнологии и нанофотоника для науки и производства», г. Владимир, 2008, 2009;
общероссийской научной конференции «Актуальные вопросы современной науки и образования», г. Красноярск, 2010;
Workshop for Initiation of German-Russian Research and Development Projects, Fraunhofer-Institute for Integrated Circuiits IIS, Erlangen, Germany, 2010;
Seminario «Las tecnologias avanzadas rusas», Madrid, Spain, 2011;
на научных семинарах кафедры ЛПиКМ ВлГУ в 2005-2012 гг.
Публикации. По теме исследования опубликовано 23 работы в научных журналах и сборниках трудов российских и международных конференций, в том числе 6 статей в журналах из Перечня ведущих научных журналов и изданий ВАК РФ, 1 патент РФ и 2 учебно-методические разработки.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и общих выводов;
изложена на 169 страницах машинописного текста, включая приложение, и содержит 46 рисунков, 20 таблиц и список литературы из 173 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цель и задачи, показаны научная новизна и практическая значимость результатов работы;
перечислены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен анализ научно-технической литературы, посвященной вопросам разработки и исследования литых композиционных сплавов на основе алюминиевой матрицы. Показано, что в настоящее время технологические процессы получения АКС постоянно совершенствуются.
Активно разрабатываются и осваиваются жидкофазные технологии получения АКС, при этом значительное внимание уделяется методам жидкофазного реакционного синтеза (in-situ-процесс). Большой интерес исследователей привлекают дискретно-армированные АКС, в качестве армирующих фаз в которых используются тугоплавкие высокомодульные частицы оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др.
Научные основы теории и технологии получения композиционных сплавов заложены зарубежными учеными P.K. Rohatgi, M.C. Flemings, R.
Mehrabian и развиваются в работах R.F. Singer, K.U. Kainer, R.G. Reddy и др.
Существенный вклад в развитие теории и практики композиционного литья внесли И.В. Гаврилин, А.А. Аксенов, Т.А. Чернышова, А.А. Ганеев, В.И.
Никитин, С.С. Затуловский, А.А. Щерецкий и др.
В работах зарубежных ученых отмечается перспективность использования систем Al-TiO2-C и Al-TiO2-B для получения композиционных сплавов для изделий с повышенными требованиями по механическим и антифрикционным свойствам. Однако композиты на основе указанных систем, получаемые в основном методами порошковой металлургии, имеют ограниченное использование, поскольку получение из них сложных и фасонных изделий затруднительно. Учитывая, что эндогенные фазы Al2O3, TiC, TiB2, Al3Ti и др., формирующиеся при протекании реакций in-situ, имеют высокие температуры плавления, твердость, модуль упругости и достаточно хорошо смачиваются алюминиевым расплавом, их можно рекомендовать в качестве эффективных армирующих фаз в композиционных сплавах на основе указанных систем и при жидкофазном совмещении, однако его применения не обнаружено. Из литературного обзора видно, что с точки зрения оптимального взаимодействия фаз и формирования заданной структуры и свойств литых АКС, в идеале следует отдавать предпочтение тем дисперсным наполнителям (в первую очередь, эндогенным), которые способны одновременно выполнять как армирующую, так и модифицирующую функции.
Решение обозначенной проблемы при переходе от методов порошковой металлургии к литейным технологиям, исключая механическое замешивание, может быть достигнуто путем упрочнения матрицы за счет ввода в расплав прессованных брикетов, состоящих из исходных реакционно-активных компонентов (жидкофазный СВС-процесс). Это позволит исключить механическое перемешивание расплава и тем самым уменьшить его газонасыщение и окисление, а также даст возможность для ввода в матрицу высокодисперсных (в том числе наноразмерных) экзогенных армирующих компонентов, ввод которых методом механического замешивания практически невозможен. Наибольшая эффективность при этом может быть обеспечена комплексным армированием АКС экзогенными и эндогенными фазами различной природы и размеров, что существенно расширит возможности для целенаправленного достижения и регулирования свойств композиционных сплавов.
Во второй главе изложены методики теоретических и экспериментальных исследований, описаны оборудование и материалы, использованные при проведении экспериментов.
На основе проведенного анализа в качестве матричных сплавов для приготовления АКС обоснованно выбраны сплавы АМг2 (ГОСТ 4784-97) и АК12М2МгН (ГОСТ 1583-93). Для формирования в объеме матричного сплава эндогенных армирующих фаз (Al2O3, TiB2, TiС, Al3Ti, AlTi и др.) в брикетах использованы порошки алюминия (ГОСТ 11069-2001), диоксида титана (ТУ 1715-347-00545484-94), аморфного бора (ТУ 113-12-132-83), графитированного коксика (ТУ 48-21-68-75) и титана марки ПТХ (ТУ 49-10-78-83). В качестве экзогенной армирующей фазы использован порошок карбида кремния (ГОСТ 26327-84).
Экспериментальные исследования по отработке технологии приготовления АКС проводили на установке, состоящей из электрической печи сопротивления типа САТ с автоматическим регулированием температуры. Для измерения температуры расплава использовали электронный потенциометр КСП-4, работающий в комплекте с термоэлектрическим преобразователем типа ХА ГОСТ Р 8.585-2001. Изготовление брикетов из механоактивированных исходных порошков на этапе отработки технологии осуществляли с помощью ручного гидравлического пресса с номинальным давлением 8 т.
Заготовки опытных образцов АКС для проведения опытно промышленных испытаний изготавливали на специализированной полупромышленной установке, состоящей из печи сопротивления шахтного типа с графито-шамотным тиглем ТГ-100 и гидравлического пресса П Оренбургского ПО «Гидропресс» с номинальным давлением 63 т.
Исследования микроструктуры образцов АКС проводили на инвертированном металлографическом микроскопе Nikon Epiphot TME 200 и растровом сканирующем электронном микроскопе FEI Quanta 200 3D Dual BeamTM (USA) с интегрированной системой фокусированного ионного пучка и максимальным разрешением 3,5 нм при ускоряющем напряжении 30 кВ.
Фазовый анализ продуктов реакций и образцов АКС проводили на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3М в излучении CuK в ИМЕТ им. А.А.
Байкова РАН.
Твердость образцов АКС при нормальной температуре определяли на твердомере ТШ по ГОСТ 9012-59 методом измерения твердости по Бринеллю при нагрузке 102,6 кг, диаметр шарика 2,5 мм, время нагружения 20 с.
Измерение твердости при повышенных температурах проводили на экспериментальной установке, состоящей из муфельной печи модели ПМ-10М, твердомера ТШ и электронного потенциометра ЭВП2-14, работающего в комплекте с термопарой ХК ГОСТ Р 8.585-2001.
Испытания АКС на трение и износ проводили по схеме колодка-ролик на машине трения 2070 СМТ-1. При испытаниях определяли весовой износ колодки из исследуемого материала и стального ролика, интенсивность их износа и коэффициент трения. Скорость скольжения составляла 500 мин-1, нагрузка от 200 до 2000 Н.
Экспериментальные исследования жидкотекучести литых АКС проводили на спиральной пробе по ГОСТ 16438-70 на образцах, залитых в песчано-глинистую форму при температурах 700, 725 и 750 С. Линейную усадку АКС определяли по ГОСТ 16817-71 на образцах, залитых в металлическую форму-полукокиль с песчаной вставкой при температуре 750 С.
Статистическая обработка экспериментальных данных и визуализация результатов теоретических расчетов проведены с использованием программных пакетов MathCAD и Microsoft Excel. При оптимизации составов АКС применяли методы математического планирования многофакторного эксперимента.
Кроме стандартного программного обеспечения, для проведения расчетов межфазного взаимодействия при синтезе композиционных сплавов в работе также использована оригинальная программа «Thermica», разработанная автором в среде программирования MS Visual Basic 6.0 и реализующая алгоритм вычисления термодинамических параметров системы для различных температур.
В третьей главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований формирования структуры и свойств АКС.
Представлены результаты термодинамического анализа равновесия реакций межфазного взаимодействия при синтезе композиционных сплавов на основе систем Al-TiO2-B, Al-TiO2-C, Al-TiO2-B-Ti-SiC, Al-TiO2-C-Ti-SiC. Для реакций взаимодействия в указанных системах были рассчитаны величины G0T и констант стандартных изобарно-изотермических потенциалов равновесия lg K по методу М.И. Темкина и Л.А. Шварцмана и выведены уравнения зависимости констант равновесия и изобарно-изотермических потенциалов от температуры.
В табл. 1 представлены уравнения зависимости константы равновесия lg G0T от температуры для K и изобарно-изотермического потенциала потенциально возможных реакций взаимодействия в композиционной системе Al-TiO2-B-Ti-SiC. По результатам вычислений величин стандартных изобарно изотермических потенциалов и констант равновесия исследуемых реакций построены графики зависимостей lg K = f(T) и G0T = f(T) (рис. 1) для наиболее значимых реакций в системе Al-TiO2-B-Ti-SiC.
Из графиков следует, что изобарно-изотермический потенциал реакции (1) по абсолютному значению намного превышает остальные, из чего следует, что в рассматриваемой системе эта реакция должна получить первостепенное развитие. Большие отрицательные величины изобарно-изотермического потенциала реакций (2), (3) и (7) также отражают значительные потенциальные возможности их протекания.
Аналогичным образом проанализированы процессы межфазного взаимодействия при синтезе АКС системы Al-TiO2-C-Ti-SiC.
Проведенный термодинамический анализ реакций взаимодействия алюминиевого расплава с реакционно-активными компонентами позволяет прогнозировать формирование заданных эндогенных фаз, а также определить нежелательные фазы, отрицательно влияющие на механические и триботехнические характеристики АКС. Более полное представление о характере и механизме межфазного взаимодействия при синтезе композиций можно составить на основании комплексного подхода к анализу фазового равновесия с учетом контактных явлений смачивания и адгезии. Хорошее смачивание порошковых компонентов композиционных брикетов при их вводе в расплав является важнейшим фактором, который будет усиливать эффект капиллярного растекания жидкости по твердым частицам и обеспечивать более быстрое и полное протекание реакционного синтеза.
Таблица 1 – Температурные зависимости изобарно-изотермического потенциала и константы равновесия реакций взаимодействия компонентов в системе Al-TiO2-B-Ti-SiC № п/п Реакция G0T, Дж/моль lg K 5200712 26,409 T, 1 113676,77 T 5, 3TiO2 + 4Al 3Ti + 2Al2O 28467936 14,122 T, 2 62224,997 T 3, Ti + 2B TiB 142256 60,003 T 3 31094,208 T 13, Ti + 3Al TiAl 75312 9,7608 T 4 16461,639 T 2, Ti + Al TiAl 6911968 27,869 T, 5 15108,127 T 6, Al + 2B AlB 2690312 29,103 T, 6 58804,63 T 6, 3TiO2 + 4B 2B2O3 + 3Ti 39748 143,725 T 7 8688,087 T 31, 4Al + 3SiC Al4C3 + 3Si 1384904 2,802 T, 8 30271,126 T 0, Ti + SiC TiC + Si 31380 53,209 T 9 6859,016 T 11, Ti + 2SiC TiSi2 + 2C 100416 5,729 T, 10 2194,885 T 1, 4B + SiC B4C + Si 744752 8,1609 T, 11 16278,732 T 1, TiO2 + SiC SiO2 + TiC 1351432 66,793 T, 12 29539,497 T 14, Ti + 2Si TiSi Рис. 1. Температурные зависимости lg K и G0T реакций в системе Al-TiO2-B-Ti-SiC По результатам термодинамического анализа предложена гипотеза о механизме межфазного взаимодействия при получении АКС, основанная на следующих предположениях:
при вводе порошкового брикета в расплав происходит плавление частиц алюминиевого порошка и инициируется активная реакция восстановления титана из его оксида:
3TiO2 + 4Al 3Ti + 2Al2O3 + Q Очевидно, что площадь контакта частиц и степень взаимодействия между Al и TiO2 тем больше, чем меньше размеры частиц реагентов;
теплота, высвобожденная при реакции восстановления TiO2, повышает температуру системы и этим способствует улучшению смачивания на границе контакта твердой фазы и алюминиевого расплава, что интенсифицирует движение жидкого алюминия по капиллярам (порам) в композиционном брикете;
в системе Al-TiO2-B-Ti-SiC увеличение количества жидкой фазы влечет за собой растворение бора в алюминии, при достижении предела растворимости которого происходит осаждение фазы TiB2. В системе Al TiO2-C-Ti-SiC ввиду высокой диффузионной способности и малой растворимости углерода в алюминии матрица быстро насыщается углеродом и начинается осаждение карбидов Al4C3 и TiC согласно следующим реакциям:
4Al3+ + 3C4 - Al4C 4+ 4 Ti + C TiC формирование и рост алюминидов Al3Ti, AlTi обусловлены диффузией алюминия внутрь частиц титана, при этом решающее значение имеют степень развития удельной поверхности частиц титана, наличие в нем примесей и дефектность его кристаллической структуры;
локальное повышение температуры брикета (до 1600 С) в зоне экзотермических реакций обеспечивает смачивание экзогенных частиц SiC, а конвективные потоки, вызванные выделением тепла, вовлекают в движение частицы армирующих фаз и способствуют их более равномерному распределению по объему расплава.
Установлено, что экзогенная фаза SiC оказывает влияние на характер протекания реакций взаимодействия при синтезе композиций и, в первую очередь, это связано с образованием нежелательного карбида алюминия.
Очевидно, что для получения качественных литейных композиционных сплавов необходимо ограничивать это взаимодействие, что может быть достигнуто оптимизацией технологических режимов их получения и использованием в качестве матричных сплавов силуминов с содержанием кремния не менее 8 %.
Анализ влияния легирующих элементов на характер межфазного взаимодействия при получении АКС показывает, что компоненты матричного расплава (Mg, Ni, Cu) не оказывают существенного влияния на протекание реакций при формировании продуктов взаимодействия в исследуемых системах.
Однако присутствие магния в матричном расплаве, снижая поверхностное натяжение, будет способствовать смачиванию и усвоению частиц армирующих фаз.
Результаты термодинамического анализа и предложенная гипотеза о механизме взаимодействия получили экспериментальное подтверждение при получении опытных образцов АКС системы [Al]-TiO2-B(С)-Ti-SiC.
Формирование заданных эндогенных армирующих и модифицирующих фаз установлено методом рентгеновского фазового анализа.
Для установления характера протекания экзотермических реакций взаимодействия проведен термографический анализ процесса нагрева исходных порошковых брикетов из композиционных смесей (рис. 2).
Рис. 2. Термографический анализ экзотермических реакций, протекающих в композиционном брикете На первом этапе исследовали поведение при нагреве композиций, не содержащих экзогенную армирующую фазу SiC. Экзотермические реакции в брикетах начинаются при температурах 680-730С и приводят к повышению их температуры до 1400-1600С в композиции [Al + TiO2 + B] и до 1250-1300С в композиции [Al + TiO2 + C] (кривые, на рис. 3). В системе Al-TiO2-B наблюдается наибольший экзотермический эффект, что связано с большей реакционной способностью аморфного бора.
Вторым этапом исследований был анализ изменения характера реакций при добавлении в состав композиций порошков титана и карбида кремния.
Установлено, что ввод в композиционные брикеты экзогенной фазы SiC в количестве 1-3% (от массы матричного расплава) замедляет скорость протекания реакции in-situ, но в то же время экзотермичность реакций повышается за счет добавления титана (кривые, на рис. 3). Время протекания экзотермический реакций при этом увеличивается с 20-28 с до 35 45 с. Таким образом, анализ характера протекания реакций взаимодействия в композиционных системах показывает, что при необходимости скорость реакций можно регулировать за счет ввода в состав брикета экзогенных наполнителей.
Структура образцов АКС (рис. 3) помимо литой матрицы, характерной для сплава АК12М2МгН, дополнительно содержит керамические и интерметаллидные частицы различной формы и размеров, в том числе субмикро- и наноразмерные. В целом композиционный сплав имеет гетерогенную структуру с четкой границей раздела фаз и плотной адгезионной связью между армирующими частицами и матрицей.
а б Рис.3. Структура литой заготовки АКС состава АК12М2МгН + 1,0% [TiO2 + B] + 2,5% Ti + 2,0% SiC (а – 1000, б – 10000) В четвертой главе приведены результаты исследований механических, триботехнических и литейных свойств АКС системы [Al]-TiO2-B(С)-Ti-SiC.
Твердость является одной из важнейших характеристик, определяющих несущую способность композиционного сплава, а также в немалой степени и температурные интервалы работы узлов трения. Результаты измерений твердости опытных образцов АКС (рис. 4) свидетельствуют о повышении твердости с 850 (матричный сплав АК12М2МгН) до 1220 10 МПа при нормальной температуре. Полученные данные убедительно свидетельствуют о повышении твердости образцов на 30-40% при нормальной и до 30% при повышенной температурах по сравнению с матричным сплавом.
Рис. 4. Твердость опытных образцов в литом состоянии в зависимости от температуры:
– АК12М2МгН;
– АК12М2МгН + 1,0% [TiO2 + B] + 1,0% Ti + 0,8% SiC;
– АК12М2МгН + 1,0% [TiO2 + B] + 1,5% Ti + 1,0% SiC;
– АК12М2МгН + 1,0% [TiO2 + B] + 2,0% Ti + 1,5% SiC;
– АК12М2МгН + 1,0% [TiO2 + C] + 1,5% Ti + 1,0% SiC.
Повышение твердости АКС при повышенных температурах по сравнению с матричным сплавом можно объяснить тем, что армирование алюминиевых сплавов дисперсными частицами тормозит разупрочнение матрицы при повышении температуры. В отличие от неармированных сплавов, в которых возможны диффузионные процессы, приводящие к растворению вторичных фаз, использование АКС позволяет повысить температуру эксплуатации изделий.
На основе результатов планируемых экспериментов по оптимизации составов АКС системы АК12М2МгН-{TiO2-B-Ti-SiC} получена регрессионная математическая модель, связывающая твердость сплава с содержанием компонентов в составе армирующего комплекса, HB, МПа:
HB 1165,375 6,375 [TiO 2 B ] 14,625 [Ti ] 27,875 [ SiC ] 2,125 [TiO 2 B] [Ti ] 2,125 [TiO 2 B ] [ SiC ] 3,625 [Ti ] [ SiC ] Испытания на трение и износ показали, что образцы из АКС имеют коэффициент трения в 5-7 раз ниже, а износостойкость в 10-12 раз выше, чем образцы из матричного сплава (табл. 2). Сравнение полученных данных с триботехническими характеристиками известных антифрикционных материалов позволяет рекомендовать исследуемые композиты для изготовления деталей, работающих в узлах трения промышленного оборудования и транспорта, взамен традиционных материалов.
Таблица 2 – Триботехнические свойства АК12М2МгН и АКС на его основе Триботехнические свойства Нагрузка, Коэффициент Интенсивность Состав МПа трения изнашивания, г/м (усредненный) колодки, I1 ролика, I АК12М2МгН 2,51 10-3 1,82 10- 5 0, АК12М2МгН + 1,0% 1,12 10-6 1,56 10- [TiO2 + B] + 2,0% Ti + 20 0, 1,5% SiC АК12М2МгН + 1,0% 3,26 10-5 0,42 10- [TiO2 + C] + 1,5% Ti + 20 0, 1,0% SiC Математическая модель влияния армирующих компонентов на коэффициент трения композиционного сплава описывается следующим полиномиальным уравнением:
f 1,69 10 2 8,75 10 4 [TiO2 B] 3,25 10 3 [Ti ] 5,06 10 3 [ SiC ] 4 2,5 10 [TiO2 B] [Ti ] 5,63 10 [TiO2 B] [ SiC ] 3,75 10 4 [Ti ] [ SiC ] 3,75 10 4 [TiO2 B] [Ti ] [ SiC ] С точки зрения выбора способа литья АКС и оптимизации его технологических режимов, важнейшими литейными свойствами являются жидкотекучесть и усадка. Анализ усредненных значений жидкотекучести и линейной усадки АКС в сравнении с матричным сплавом (табл. 3) показывает, что армирование матричного алюминиевого сплава эндогенными и экзогенными фазами приводит к незначительному понижению жидкотекучести и усадки.
Таблица 3 – Литейные свойства АКС в сравнении с матричным сплавом Жидкотекучесть (длина спирали), мм Усадка, % Состав 700 С 725 С 750 С 750 С АК12М2МгН 850 985 1120 1, АК12М2МгН + 1,0% [TiO2 + B] + 1,5% Ti + 825 885 945 0, 2,5% SiC Уменьшение жидкотекучести АКС при армировании дисперсной фазой связано с увеличением эффективной вязкости расплава, содержащего взвешенные частицы. Из табл. 3 видно, что жидкотекучесть композитов повышается с увеличением температуры, однако это повышение не столь значительно по сравнению с базовым сплавом, что, на наш взгляд, связано с большей вязкостью композиционного расплава.
Усадка АКС уменьшается с увеличением доли армирующих компонентов в матричном сплаве. Это можно объяснить тем, что с увеличением доли армирующих частиц в композиции уменьшается доля жидкой фазы, которая является определяющей при оценке величины усадки. Уменьшение усадки может способствовать снижению дефектов усадочного происхождения, а также позволяет уменьшать объем питающих прибылей, что приводит к повышению технологического выхода годного.
Анализ показывает, что литейные свойства АКС на основе АК12М2МгН находятся на уровне известных алюминиевых сплавов типа АК7 и АМг6л, что позволяет применять обычную гравитационную заливку при соответствующих температурных режимах, рекомендованных для этих сплавов – 700-750 С.
В пятой главе приведены отработка технологического процесса получения АКС и результаты промышленного внедрения разработанной технологии и изделий из АКС, а также результаты исследований влияния повторных переплавов АКС на равномерность распределения и размеры армирующих фаз.
Для получения опытных образцов АКС использовали метод литья в кокиль. Подготовка расплава к приготовлению АКС состояла из следующих этапов: расплавление шихты;
рафинирование расплава по разработанной технологии (патент РФ №2396365);
нагрев расплава до 850-900С для приготовления АКС.
Этапы подготовки порошковой смеси: прокаливание порошков исходных компонентов;
смешивание и механическая активация порошковой композиционной смеси в шаровой мельнице в течение 30-40 мин;
прессование композиционной смеси в брикеты.
Брикеты подогревали до 250-300 С и вводили в матричный алюминиевый расплав при температуре 850-900 С. Расплав выдерживали в течение 15-20 мин, перемешивали для устранения структурной неоднородности, снимали шлак и заливали в кокиль для получения стандартных образцов для металлографических исследований, механических и триботехнических испытаний.
На этапе отработки технологии получения АКС рассмотрено влияние режимов механической активации и прессования исходных композиционных смесей, а также температурно-временных режимов жидкофазного совмещения порошковых брикетов и матричного расплава. Проведенные исследования позволили установить оптимальные технологические режимы жидкофазного СВС-процесса, обеспечивающие формирование заданных эндогенных армирующих фаз и высокую степень усвоения экзогенных частиц (заявка на изобретение №2011154300 от 28.12.2011 г.).
Разработанная технология получения и составы АКС системы [Al]-TiO2 B(С)-Ti-SiC внедрены в действующее производство и используются на ООО «Литмаш» (г. Шуя) при выпуске опытных партий изделий по заказам предприятий (ТИ 3/7 от 28.11.2011 г.).
Промышленные испытания опытных партий изделий из АКС в катках экскаватора ЭО-4124 (ООО «УМСР-2», г. Владимир), в узлах трения тесьмоплетельной машины ТП25-3-80 на базе веретена ВПР-125 (ООО ВФ «Текс-Интер», г. Ковров) и пресса механического СМ-816 (ООО «Ивсиликат», г. Иваново) взамен антифрикционных бронз показали, что детали из АКС характеризуются высокой износостойкостью, способны выдерживать перегрузки без разрушения в течение длительного времени и позволяют увеличить межремонтные циклы ремонта оборудования в 3,5-4 раза.
Исследования по влиянию повторных переплавов АКС систем Al-Ti, Al Ti-SiC, Al-TiO2-B(С)-Ti-SiC на равномерность распределения и размеры армирующих фаз показывают принципиальную возможность использования АКС после переработки в качестве шихты при получении новых композитов.
Однако при многократных переплавах (три и более) возможно увеличение средних размеров интерметаллидных фаз и частичная деградация фазы SiC в результате взаимодействия с матричным расплавом.
Результаты исследований используются при подготовке магистров по направлению 150400 – «Металлургия» в ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых». По материалам диссертации изданы и используются в учебном процессе две учебно методические разработки.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 1. На основании результатов термодинамического анализа и экспериментальных данных выявлены закономерности взаимодействия исходных компонентов и установлен механизм образования фазовых составляющих при получении АКС системы [Al]-TiO2-B(С)-Ti-SiC, позволяющий в условиях жидкофазного СВС-процесса прогнозировать формирование заданных эндогенных армирующих фаз.
2. Разработаны новые композиции многокомпонентных АКС и выбран рациональный состав армирующего комплекса, обеспечивающий достижение повышенных в сравнении с базовыми сплавами триботехнических свойств: [Al] + 1,3..1,5% [TiO2 + B] + 2,4..2,6% Ti + 1,9..2,1% SiC.
3. Разработана технология получения АКС системы [Al]-TiO2-B(С)-Ti-SiC, обеспечивающая полное протекание реакций синтеза эндогенных армирующих фаз Al2O3, TiB2, TiC, TiAl3 (и др.) и высокую степень усвоения экзогенной фазы SiC, и установлены оптимальные технологические режимы жидкофазного СВС-процесса (температура приготовления АКС 850-900 С, продолжительность выдержки расплава 15 20 мин).
4. Установлено влияние экзогенных наполнителей на скорость протекания реакций синтеза эндогенных армирующих фаз;
показано, что в условиях эксперимента ввод в состав композиционных смесей экзогенных частиц SiC в количестве 1-3% (от массы матричного расплава) увеличивает время протекания реакций с 20-28 с до 35-45 с, что обеспечивает возможности для целенаправленного регулирования скорости протекания реакций при получении АКС.
5. Дана сравнительная оценка механических и триботехнических свойств матричного сплава АК12М2МгН и комплексно-армированных АКС на его основе с различной долей армирующих фаз. Показано, что твердость АКС увеличивается на 35-40% при нормальной температуре и на 28-33% при повышенной температуре, коэффициент трения снижается в 5-7 раз, износостойкость возрастает в 10-12 раз по сравнению с матричным сплавом.
6. Показана принципиальная возможность повторного использования АКС систем Al-Ti, Al-Ti-SiC, Al-TiO2-B(С)-Ti-SiC после их переработки и установлено влияние переплавов на равномерность распределения и размеры армирующих фаз.
7. Технология приготовления разработанных комплексно-армированных АКС внедрена на предприятии ООО «Литмаш» (г. Шуя) при выпуске отливок триботехнического назначения (втулки, подшипники скольжения и др.).
8. Результаты исследований отражены в двух учебно-методических разработках и используются при подготовке магистров по направлению 150400 – «Металлургия» в ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых».
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
Публикации в рецензируемых научных журналах из Перечня ВАК РФ 1. Панфилов, А.В. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы, комплексно армированные эндогенными и экзогенными керамическими и интерметаллидными фазами [Текст] / А.В. Панфилов, В.А. Кечин, А.А.
Панфилов, Ал.А. Панфилов, Е.С. Прусов // Литейщик России. – №7. – 2008.
– с. 60-64.
2. Панфилов, А.В. О получении и свойствах комплексно-армированных композиционных материалов с алюминиевой матрицей [Текст] / А.В.
Панфилов, Е.С. Прусов // Литейное производство. – №8. – 2008. – с. 2-6.
3. Прусов, Е.С. Технология получения и свойства комплексно армированных алюмоматричных композиционных материалов [Текст] / Е.С. Прусов // Перспективные материалы. – №5 (cпец. выпуск). – 2008. – с. 93-95.
4. Прусов, Е.С. Термодинамический анализ и модель взаимодействия компонентов при синтезе композиционных материалов на основе систем Al TiO2-B-SiC и Al-TiO2-C-SiC [Текст] / Е.С. Прусов, А.В. Панфилов, А.А.
Панфилов // Литейщик России. – №9. – 2009. – с. 30-33.
5. Прусов, Е.С. Исследование свойств литых композиционных сплавов на основе алюминия, армированных эндогенными и экзогенными фазами [Текст] / Е.С. Прусов, А.А. Панфилов // Металлы. – №4. – 2011. – с. 79-84.
6. Прусов Е.С. Современные методы получения литых композиционных сплавов / Е.С. Прусов, А.А. Панфилов, В.А. Кечин // Литейщик России. – №12. – 2011. – c. 35-40.
Публикации в других изданиях 7. Карасев, М.А. Синтез алюмоматричных композиционных материалов с использованием реакций in-situ [Текст] / М.А. Карасев, Е.С. Прусов, А.В.
Панфилов / Мат. XIX Межд. конф. Молодых ученых и студентов по современным проблемам машиностроения, ин-т машиноведения им. А.А.
Благонравова РАН. – Москва, 2007. – с. 30.
8. Панфилов, А.В. Технология получения алюмоматричных композиционных материалов с применением комплексного эндогенного и экзогенного армирования керамическими и интерметаллидными фазами [Текст] / А.В.
Панфилов, Е.С. Прусов / Мат. VIII междунар. конф. «Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях». – 11-15 февр. 2008, п. Славское, Карпаты. – Киев:
УИЦ «Наука. Техника. Технология», 2008. – с. 8-10.
9. Панфилов, А.В. Новые полиармированные алюмоматричные композиционные материалы на основе систем Al-TiO2-B и Al-TiO2-C [Текст] / А.В. Панфилов, Е.С. Прусов / Мат. XXVIII междунар. конф. и выставки «Композиционные материалы в промышленности». – г. Ялта, 2008. – с. 28 30.
10. Панфилов, А.В. Синтез новых комплексно армированных алюмоматричных композиционных материалов [Текст] / А.В. Панфилов, Е.С. Прусов, А.А.
Панфилов / Мат. V междунар. конф. «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизация изделий» (МЕЕ-2008). – г. Б. Ялта, Жуковка, 2008. – с. 135.
11. Прусов, Е.С. Композиционные материалы с алюминиевой матрицей, комплексно армированные микро- и наноразмерными наполнителями [Текст] / Е.С. Прусов / Тез. докладов междунар. школы-семинара «Современные нанотехнологии и нанофотоника для науки и производства».
– г. Владимир, 2008. – с. 21-22.
12. Прусов, Е.С. Теоретические основы и технология получения комплексно армированных композитов на основе алюминиевых сплавов [Текст] / Е.С.
Прусов, А.В. Панфилов / Труды IX съезда литейщиков России. – г. Уфа, 2009. – с. 116-118.
13. Прусов, Е.С. Синтез и свойства алюмоматричных композитов с наноразмерными фазами [Текст] / Е.С. Прусов, А.В. Панфилов / Тез. докл.
IV Всеросс. конф. «Химия поверхности и нанотехнология» (Хилово-2009). – Санкт-Петербург, 2009. – с. 325-327.
14. Прусов, Е.С. Термодинамическая модель взаимодействия компонентов при синтезе композитов системы Al-TiO2-B [Текст] / Е.С. Прусов, А.В. Панфилов / Мат. XXIX междунар. конф. и выставки «Композиционные материалы в промышленности». – г. Ялта, 2009. – c. 248-251.
15. Прусов, Е.С. Термодинамические аспекты жидкофазного реакционного синтеза алюмоматричных композитов [Текст] / Е.С. Прусов, А.В. Панфилов / Труды V междунар. науч.-практ. конф. «Прогрессивные литейные технологии» (НИТУ МИСиС, 19-23 октября 2009 г.). – Москва, 2009. – с.
133-136.
16. Прусов, Е.С. Объемный реакционный синтез литых композитов с наноразмерными фазами [Текст] / Е.С. Прусов, А.А. Панфилов / Мат. 2-й Междунар. конференции и школы-семинара «Современные нанотехнологии и нанофотоника для науки и производства». – г. Владимир, 2009, 16- ноября. – с. 182-183.
17. Прусов, Е.С. Влияние механической активации на интенсивность реакционного синтеза алюмоматричных композитов [Текст] / Е.С. Прусов, А.А. Панфилов / Мат. XXX междунар. конф. и выставки «Композиционные материалы в промышленности». – г. Ялта, 2010. – c. 16-19.
18. Прусов Е.С., Панфилов А.А. Особенности получения композиционных материалов на базе алюминиевых сплавов [Текст] / Мат. общеросс. науч.
конф. «Актуальные вопросы современной науки и образования». – Вып. 2. – Красноярск: Научно-инновационный центр, 2010. – с. 412-414.
19. Prusov, E.S. Fundamentos tecnologicos de la sintesis reactiva de aleaciones de fundicion compuestas a base aluminio / Seminario «Las tecnologias avanzadas rusas». – Madrid, Spain, 2011. – p. 50-51.
20. Кечин В.А., Прусов Е.С. Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Физико-химические основы синтеза сплавов» [Электронное издание]. – Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та, 2011. – 50 с. – 0,6 Мб.
21. Панфилов А.А., Прусов Е.С. Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Современные технологии получения литых функциональных и конструкционных материалов» [Электронное издание]. – Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та, 2011. – 20 с. – 0,4 Мб.
22. Пат. № 2396365 Российская Федерация, МПК С22В 9/10, С22С 1/06, С22В 21/06. Способ рафинирования алюминиевых сплавов [Текст] / Панфилов А.В., Бранчуков Д.Н., Прусов Е.С., Скотников Ю.С. – 2009102613/02 ;
заявл. 26.01.09 ;
опубл. 10.08.2010. – Бюл. № 22. – 6 с.
23. Заявка на изобретение №2011154300 (081633). Литой композиционный сплав и способ его получения [Текст] / Прусов Е.С., Панфилов А.А., Кечин В.А. ;
заявл. 28.12.2011.