Разработка и освоение технологии получения алюмоматричных композиционных сплавов, модифицированных наночастицами
На правах рукописи
ПЕТРУНИН Алексей Валерьевич РАЗРАБОТКА И ОСВОЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ СПЛАВОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ НАНОЧАСТИЦАМИ Специальность 05.16.04 – литейное производство
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Нижний Новгород-2009
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет»
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Панфилов А.А.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Никитин В.И.
кандидат технических наук Скитович С.В.
Ведущая организация: «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Защита диссертации состоится 23 декабря 2009 г. в 15:00 часов в 1 корп., ауд. 1258 на заседании диссертационного совета Д 212.165.07 в Нижегородском государственном техническом университете имени Р.Е. Алексеева по адресу: 603950, ГСП-41, Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета имени Р.Е. Алексеева.
Ваш отзыв на автореферат диссертации, заверенный печатью организации, просим направлять по указанному выше почтовому адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 212.165.07, а также по факсу (4922) 479-883 или по эл. почте по адресу: [email protected] Автореферат разослан «» 2009 г.
Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.165. д.т.н., профессор В.А. Ульянов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Неотъемлемой частью развития современного машиностроительного комплекса является внедрение новых высокоэффективных сплавов и технологий их получения. Новые сплавы должны обеспечивать возрастающие требования объектов техники по удельной прочности, эксплуатационной надежности и долговечности деталей конструкций в экстремальных условиях температурно-силового воздействия и агрессивных сред. Указанным требованиям в полной мере отвечают композиционные сплавы (КС).
В связи с этим, в последние годы возрос интерес к дискретно армированным КС, особую группу которых представляют алюмоматричные КС.
К настоящему времени масштабы промышленного использования алюмоматричных КС пока не адекватны их технико-эксплуатационному и экономическому потенциалу. В первую очередь это связано с отсутствием универсальной теории и практических рекомендаций, позволяющих осуществлять выбор состава и количества ингредиентов алюмоматричных КС, формировать заданную структуру и регулировать необходимую степень межфазного взаимодействия, чтобы обеспечить требуемый уровень физико механических и эксплуатационных характеристик изделий из алюмоматричных КС.
В настоящее время значительное внимание уделяется разработке сплавов, армирование которых осуществляется за счет образования упрочняющих соединений при протекании экзотермических химических реакций между компонентами КС. Полученные таким способом сплавы отличаются термодинамической устойчивостью, отсутствием коагуляции наполнителя, плотным контактом и хорошей адгезией между матрицей и упрочняющей фазой.
Улучшение свойств и функциональных возможностей КС следует ожидать при наличии в их составе наноразмерных упрочняющих фаз.
Изготовление сплавов с наноразмерными упрочняющими фазами жидкофазными методами сопряжено с рядом трудностей. Наночастицы легко образуют конгломераты, плохо смачиваются алюминиевым расплавом и окисляются на воздухе при низких температурах, что отрицательно сказывается на свойствах и качестве изготавливаемых сплавов, а применяемые в настоящее время технологии их получения (плазменная инжекция, механическое замешивание и др.) трудоёмки и малоэффективны.
В связи с этим, актуальной проблемой на сегодняшний день является разработка технологии получения алюмоматричных КС с наноразмерными армирующими фазами, позволяющих получать сплавы высокого качества при минимальных затратах.
Работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2002-2006 годы», при поддержке гранта РФФИ № 05-03-32697-а и гранта Губернатора Владимирской области на проведение научных исследований по приоритетным направлениям развития науки, технологии и техники.
Целью работы является разработка и освоение жидкофазной технологии получения алюмоматричных КС с нано- и микроразмерными упрочняющими частицами для изготовления изделий антифрикционного назначения.
Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:
1. Исследование физико-химических процессов, протекающих в расплаве, при получении алюмоматричных КС с нано- и микроразмерными упрочняющими фазами.
2. Изучение закономерностей формирования структуры и свойств алюмоматричных КС в зависимости от их состава и температурно временных факторов в процессе получения.
3. Оптимизация технологических режимов жидкофазной технологии получения алюмоматричных КС на основе силуминов, обеспечивающих заданный комплекс механических и эксплуатационных свойств литых заготовок.
4. Промышленное освоение жидкофазной технологии получения алюмоматричных КС и опытно-промышленные испытания изделий в узлах трения скольжения технологического оборудования.
Методики исследований. Результаты теоретических и экспериментальных исследований получены с использованием современных методов термографического, металлографического и рентгенофазового анализов. Испытания технологических, механических и антифрикционных свойств сплавов проведены с использованием стандартных методик.
Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлена с использованием методов статистического анализа программы Microsoft®Excel2007.
Научная новизна работы:
• Установлено, что наноразмерные тугоплавкие частицы SiC и Al2O оказывают модифицирующее влияние на размер и морфологию интерметаллидных соединений, образующихся при получении алюмоматричных КС;
• Предложено обоснование формирования структуры упрочняющих соединений алюминидов титана при введении в алюмоматричные КС наноразмерных частиц;
• Установлено, что модифицирование алюмоматричных КС повышает их термостабильность и износостойкость литых изделий антифрикционного назначения.
Практическая ценность работы:
• Разработана технология получения композиционных сплавов системы Al-Si, армированных нано- и микроразмерными упрочняющими частицами и соединениями (Патент РФ № 2323991. Заявл. 22.09.2006.
Опубл. 10.05.2008, Бюл. №13);
• Оптимизированы основные технологические режимы получения литых изделий из алюмоматричных КС, модифицированных наночастицами, методом жидкофазного совмещения компонентов;
Реализация результатов работы в промышленности. Проведена опытно-промышленная апробация литых изделий из алюмоматричных КС на ООО «Касимовский механический завод №8» (г. Касимов, Рязанская обл.) в качестве деталей дозировочного насоса, которая позволила повысить эксплуатационную надёжность и обеспечить увеличение ресурса работы оборудования с 2000 до 2500 мото-часов.
На предприятии ОАО «Ставровский завод автотракторного оборудования» (п. Ставрово, Владимирская обл.) проведены опытно промышленные испытания литых изделий из алюмоматричных КС в качестве подшипников скольжения технологического оборудования.
Испытания показали, что внедрение литых изделий обеспечивает получение экономического эффекта до 25000 руб. на единицу продукции за счёт увеличения межремонтных циклов и снижения себестоимости подшипников.
Технология получения отливок из алюмоматричных КС освоена и применяется на ООО «НПП «Алюмоматричные композиционные материалы», созданном при поддержке Фонда содействия развитию малого предпринимательства в научно-технической сфере в рамках программы «СТАРТ-07».
Личный вклад автора состоит в теоретическом обосновании поставленных задач, проведении экспериментальных исследований, анализе полученных результатов и их обобщении.
Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на следующих научно-технических и научно-практических конференциях: VII, VIII съездах литейщиков России, 2005, 2007;
25, 26, 27, 28 Международных конференциях и выставках “Композиционные материалы в промышленности” (СЛАВПОЛИКОМ), Ялта-Киев, 2005, 2006, 2007, 2008;
III, IV Международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения», Омск, 2005, 2007;
III Международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии», Москва, 2005;
Всероссийской конференции инновационных проектов аспирантов и студентов «Индустрия наносистем и материалы», Москва, 2006;
I Международной конференции «Функциональные материалы и высокочистые вещества», Суздаль, 2008;
V Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Перспективные материалы», Москва, 2008;
V Международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях:
исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизация изделий (МЕЕ-2008)», Б. Ялта, 2008.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 18 научных работ в журналах и сборниках трудов российских и международных научно-технических конференций, в том числе четыре в журналах, рекомендованных ВАК;
получен 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и общих выводов. Диссертация изложена на 129 страницах машинописного текста, включая 1 приложение, и содержит 39 рисунков, таблиц, а также список литературы из 121 наименования.
На защиту выносятся следующие положения:
• Жидкофазная технология получения алюмоматричных КС с использованием нано- и микроразмерных упрочняющих фаз.
• Закономерности формирования структуры и свойств отливок из алюмоматричных КС в результате модифицирования их наноразмерными частицами.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность, сформулированы цель и задачи исследований, показаны научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе проведён анализ известных методов получения алюмоматричных КС, армированных дисперсными частицами. Даны классификация и основные методы получения функциональных материалов с наноструктурными элементами.
Основными методами получения материалов с наноразмерными элементами являются компактирование порошков, кристаллизация аморфных сплавов, интенсивная пластическая деформация и нанесение покрытий.
Наиболее универсальными являются жидкофазные технологии, позволяющие получать изделия различной конфигурации и массы.
Известные способы введения наноразмерных частиц в расплавы основаны на их инжекции при помощи плазмы, механическом замешивании, а также введении лигатуры, спрессованной из смеси наночастиц и матричного сплава. Их основными недостатками являются сложность, многостадийность и применение в технологическом процессе специального оборудования.
На основании сравнительного анализа существующих способов показана перспективность использования технологии получения алюмоматричных КС, основанной на формировании эндогенных упрочняющих фаз при протекании экзотермических реакций между исходными компонентами (по зарубежной терминологии in-situ процесс).
Полученные таким способом сплавы отличаются высокой степенью межфазного взаимодействия наполнитель-матрица, простотой и универсальностью технологии изготовления.
На основании литературного обзора в диссертационной работе сформулированы цель и основные задачи.
Во второй главе приведено описание методик исследований, использованных в работе. Представлен перечень материалов и оборудование, применявшееся для исследований.
В качестве моделирующего матричного сплава был использован алюминий марки А99 (ГОСТ 11069-2001). Для экспериментальных исследований механических, триботехнических, технологических характеристик и опытно-промышленной апробации, использованы матричные сплавы АК12 и АК12М2МгН (ГОСТ 1583-93).
Для образования упрочняющей интерметаллидной фазы в состав алюмоматричных КС вводили порошки титана марки ПТХ (ТУ 48-10-78-83) и никеля марки Н-1 (ГОСТ 849-97) с размерами до 315 мкм. В качестве экзогенных упрочнителей использованы нано- и микроразмерные частицы:
порошок карбида кремния зеленого размером 14 мкм (ГОСТ 26327-84);
порошки SiC размером 40 нм и Al2O3 – 15 нм.
Технология синтеза КС основана на механоактивации армирующих нано- и микрочастиц с порошками Ti и Ni и последующим их брикетированием. Экзотермические реакции, протекающие с образованием интерметаллидных армирующих фаз при введении брикетов смеси в алюминиевый расплав, создают условия для лучшего смачивания и усвоения экзогенных частиц.
Предварительная обработка армирующих наполнителей заключается в прокаливании нанопорошков SiC и Al2O3 при температуре 450-500 С и микропорошка SiC при 550-600 С в течение 1,5-2 часов с целью удаления адсорбированных примесей с поверхности частиц и их активации. Порошки титана и никеля просушивали в сушильном шкафу при температуре 100 120 С в течение 50-60 минут.
Подготовленные и дозированные порошки титана, никеля, нано- и микроразмерных частиц SiC и Al2O3 загружали в шаровую мельницу, где в течение 1,0-1,5 часов подвергали механической активации, после чего прессовали в брикеты с остаточной пористостью 30-35 %.
С целью установления оптимальной температуры синтеза КС, нагретые до 100-120 С брикеты вводили в матричные расплавы при температурах 750, 800, 850 и 900 С.
Опытные образцы для исследований структуры и свойств получали из заготовок, залитых в металлическую форму. Отливки из КС на основе АК12М2МгН подвергали термообработке по режимам, рекомендованным для данного сплава: выдержка при 515±5 С в течение 5-7 часов и закалка в воде;
старение при 210±10 С в течение 10-12 часов.
Исследования микроструктуры, фазового состава и триботехнических характеристик КС проведены совместно с научно-исследовательским коллективом Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН.
Исследования структуры отливок проводили на металлографическом микроскопе Leica DM ILM на нетравленых шлифах. Размер, количественное и объёмное содержание фаз определяли при помощи программного приложения к микроскопу Leica Qwin.
Топографию поверхности литых образцов из КС исследовали методом атомно-силовой микроскопии на сканирующем зондовом микроскопе «Смена-Б» с шагом сканирования 0,006-0,01 нм.
Исследования наноструктуры отливок проводили при помощи растрового электронного микроскопа «Quanta 200 3D» с максимальным разрешением 3,5 нм при ускоряющем напряжении 30 кВ и максимальной величиной горизонтального поля зрения 10 мм.
Фазовый состав литья исследовали на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3М.
Испытание отливок на твёрдость при нормальной и повышенной температурах проводили на приборе Бринелля типа ТШ при нагрузке 102,6 кг, диаметре шарика 2,5 мм и времени нагружения 1 мин. Для проведения высокотемпературных испытаний использовалось специальное приспособление.
Испытания на трение и износ проводили в условиях сухого трения по схеме торцевого нагружения на установке МТУ-01. Нагрузка при проведении испытаний составляла 70 Н, а скорости вращения 300, 600 и 1000 мин-1. В качестве материала контр-тела была выбрана сталь 45.
Оценка триботехнических свойств производилась по интенсивности изнашивания Im, коэффициенту износа К и коэффициенту трения f:
Im = m/L где m – потеря массы образца, г;
L – путь трения, м;
К = ImН/Р где - удельный вес образца, г/см3;
Н – твердость, НВ;
Р - осевая нагрузка, Н;
f=M/RсрF где M – момент трения;
R ср – средний радиус образца;
F – нагрузка.
Жидкотекучесть алюмоматричных КС определяли по длине спиральной пробы, полученной заливкой композита в песчаную форму при температурах 700, 725 и 750 С (ГОСТ 16438-70). Линейная усадка определена по изменению длины стандартных образцов при кристаллизации и охлаждении в металлической форме при 700 С (ГОСТ 16817-71).
В третьей главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований формирования структуры алюмоматричных КС с нано- и микроразмерными упрочняющими фазами.
В ходе синтеза КС производился термографический анализ процесса, протекающего в расплаве (рис. 1). Установлено, что добавка наночастиц в состав вводимых композиционных брикетов, отражается на характере протекающих in-situ реакций. Так, добавка нанопорошков Al2O3 и SiC в брикет с Ti и Ni уменьшает экзотермический эффект и снижает скорость реакции образования интерметаллидов. На основании изучения термограмм установлено минимальное время выдержки композиции перед разливкой, которое составляет не менее 15 мин.
Рисунок 1 – Изменение температуры алюмоматричных КС при вводе армирующих брикетов На основании результатов экспериментальных исследований установлено, что оптимальной температурой синтеза КС является 790-810 С, так как в этом температурном интервале реакции совмещения протекают интенсивно, со значительным экзотермическим эффектом. При температуре менее 790 С происходит снижение экзотермичности реакции и увеличение длительности процесса. При увеличении температуры расплава свыше 810 С характер термограмм практически не меняется.
Одной из важнейших задач при создании КС методом in-situ и прогнозировании их будущих свойств является формирование упрочняющих фаз заданного состава и размеров. С этой целью был выполнен расчёт изобарно-изотермических потенциалов реакций, протекающих в расплаве при температуре 800 С (таблица 1).
На основании расчётов значений изобарных потенциалов можно предположить, что наибольшую вероятность образования имеют соединения TiAl3 и TiC, образующиеся по реакциям 2 и 3. Интерметаллидные соединения алюминия с никелем, согласно диаграмме состояния Al-Ni, формируются только при кристаллизации сплава. Из диаграммы следует, что при концентрации Ni до 40% масс. образуется соединение Al3Ni. Расчётные данные свидетельствуют о том, что изобарные потенциалы реакций 6 и имеют положительное значение, следовательно, образование продуктов взаимодействия при данной температуре невозможно.
Таблица 1 – Изобарный потенциал и константа равновесия реакций взаимодействия фаз №п/п Реакция Изобарный Константа потенциал G 800, равновесия lg K кДж/моль 1 4Al + 3SiC Al4C3 + 3Si -76590,1 15, 2 Ti + SiC TiC + Si -135610,4 27, 3 Ti+3Al Ti Al3 -206748,5 42, 4 Ti+Al TiAl -63116,3 12, 5 Ni+Ti NiTi -37138,9 7, 6 3Ni+SiC Ni3C+Si 131403,9 -26, 7 Ti + 2SiC Ti Si2 + 2С 258245,2 -52, Исследования структуры алюмоматричных КС проведены на образцах, отлитых в металлическую форму, при различной продолжительности выдержки расплава.
Анализ микроструктуры отливок показал, что при увеличении времени выдержки композиции в расплавленном состоянии после протекания реакций, размер интерметаллидных соединений возрастает. Средний размер включений, образующихся в расплаве без наноразмерных добавок после мин выдержки композиции, достигает 18-20 мкм. При добавлении в состав композиции нанопорошков SiC и Al2O3, средний размер интерметаллидных соединений при выдержке 15 мин составляет 6 – 8 мкм. При увеличении времени выдержки до 45 мин размеры интерметаллидных фаз практически не изменяются (рис. 2).
б а Рисунок 2 – Микроструктуры отливок при времени выдержки 45 мин;
а - А99+3%Ti;
б - А99+3%Ti+0,1%Al2O3 (15 нм) Дополнительное введение наночастиц в сплав, легированный Ti и Ni, оказывает положительное модифицирующее влияние на морфологию, объёмное содержание и размеры упрочняющих интерметаллидных фаз:
форма включений становится более округлой, их количество увеличивается, а средний размер также уменьшается до 6-8 мкм.
Результаты анализа микроструктуры отливок подтверждаются исследованиями на сканирующем зондовом микроскопе «Смена-Б» методами контактной топографии и латеральных сил.
При модифицировании расплава наночастицами на поверхности относительно однородной матрицы появляется большое количество нанопиков, свидетельствующих о нано- и микрогетерогенности структуры отливок. На профилях топографий определяются пики высотой 2-10 нм, а в случае отсутствия частиц в КС профили получаются более сглаженными.
При исследовании фазового состава во всех случаях установлено, что при увеличении времени выдержки, в сплаве также возрастает и объёмное содержание интерметаллидных фаз. Однако, в композициях, содержащих модифицирующие наночастицы, с момента окончания протекания in-situ реакций объёмное содержание фаз остаётся практически неизменным (таблица 2).
Таблица 2 – Исследования фазового состава отливок Элемент Фазовый состав в зависимости от времени выдержки композиции перед (соединение) разливкой, % А99+3%Ti А99+3%Ti+0,1%SiC(40нм) А99+3%Ti+3%Ni+0,1%SiC(40нм) 15 45 15 мин 45 мин 15 мин 45 мин мин мин Al 89,12 86,18 86,29 85,98 84,09 83, Al3Ti 6,33 11,36 9,25 9,47 9,23 9, AlTi - 1,58 1,79 1,82 1,73 1, SiC - - 0,89 0,91 0,86 0, TiC - - 0,89 0,91 0,86 0, Al2O3 0,91 0,86 0,89 0,91 0,86 0, Al3Ni - - - - 2,37 2, AlTi3 1,82 - - - - Ti 1,82 - - - - По результатам проведённого микро- и фазового анализа, можно сделать вывод о термостабильности системы, так как фазовый состав расплава при выдержке свыше 15 мин практически не изменяется.
Полученные данные подтверждают результаты проведённого ранее термографического анализа, ещё раз свидетельствуя о завершении реакций по истечении 15 мин. Аналогичные результаты получены в композициях, модифицированных частицами Al2O3 (15 нм).
Таким образом, в результате исследований методами металлографического, атомно-силового и рентгенофазового анализов установлено, что добавка экзогенных наночастиц оказывает модифицирующее влияние на структуру отливок из алюмоматричных КС.
Также, можно сделать вывод, что наноразмерные частицы SiC в течение длительного времени способны сохраняться в алюминиевом расплаве не разрушаясь. В результате частичного взаимодействия наноразмерных частиц SiC c Ti, образуется эндогенная упрочняющая фаза TiC, что согласуется с термодинамическими расчётами (G0800=-135610,4 кДж/моль;
lg K800 = 27,625).
Исследование отливок методом электронной микроскопии показало наличие большого количества наноразмерных включений в структуре с размерностью от 50 до 300 нм. На основании результатов рентгенофазового анализа можно предположить, что это наночастицы SiC, Al2O3, TiC и соединения образовавшихся интерметаллидных фаз.
Теоретические и экспериментальные исследования процесса взаимодействия расплава алюминия с порошковым титаном показывают, что рост интерметаллидов связан с диффузией алюминия внутрь частицы титана, поэтому размеры образующихся интерметаллидных соединений напрямую зависят от количества продиффундировавшего в них алюминия.
Можно предположить, что уменьшение размеров TiAl3 при добавлении наноразмерных частиц обусловлено следующими причинами:
• Механоактивация композиционной смеси способствует увеличению удельной поверхности и дефектности структуры порошкового титана, что в процессе реакционного синтеза приводит к диспергированию его на более мелкие частицы и сокращению времени образования интерметаллидов;
• Экзогенные наночастицы, внедренные в поверхность порошка титана при механоактивации, оказывают, с одной стороны, тормозящее действие на процесс образования алюминидов титана, что подтверждается данными термографического анализа (рис. 1), а с другой, располагаясь по границам образующихся интерметаллидов и увеличивая свою концентрацию за счет оттеснения к границе интерметаллида в процессе его роста, - препятствуют диффузии алюминия внутрь образовавшихся алюминидов титана, ограничивая их рост и замедляя процесс срастания в более крупные включения;
• Эндогенные соединения TiС, образующиеся в результате частичного взаимодействия SiC с Ti, во-первых, уменьшают количество атомов титана, способных взаимодействовать с алюминием, и, во-вторых, выполняют аналогичную функцию, свойственную экзогенным наночастицам.
Проведённые исследования показали, что комплексное воздействие наночастиц на алюминиды титана, способствует стабилизации их размеров.
При 1,5 часовой выдержке расплава при 800 С средний размер интерметаллидов составляет 6-9 мкм.
В четвёртой главе представлены результаты исследований механических, трибологических и литейных свойств стандартных алюминиевых сплавов и алюмоматричных КС на их основе.
В результате испытаний отливок на твёрдость при нормальной и повышенной температурах было установлено, что легирование алюминидами титана не оказывает существенного влияния на твёрдость сплава АК12.
Модифицирование расплава наночастицами Al2O3 и SiC повышает твёрдость КС в среднем на 50 МПа при 20 С и на 30 МПа при 300 С, а в сочетании с термообработкой на 110-160 МПа и 60-80 МПа соответственно.
Дополнительное легирование композиции алюминидами никеля способствует существенному повышению твёрдости до 1310 МПа (на 45%) при температуре испытаний 20 С и до 315 МПа (на 65%) при 300 С в сравнении с матричным сплавом.
Эффект модифицирования, оказываемый наночастицами, и полное протекание реакций взаимодействия в расплаве, способствуют повышению твёрдости за счёт уменьшения размера и увеличения общего количества интерметаллидных включений. Установлено, что литые образцы, модифицированные наночастицами, отличаются более стабильными свойствами. Разброс значений твёрдости не превышает 10%.
На основании полученных результатов можно сделать вывод, что природа и размеры исследуемых модифицирующих частиц SiC и Al2O практически не влияют на свойства КС. Разница значений твёрдости литых образцов из алюмоматричных КС, модифицированных SiC и Al2O3, не превышает 10 МПа, а при температуре 300 С их твёрдость одинакова.
Установлено, что твёрдость литых образцов из алюмоматричных КС, модифицированных наночастицами, и армированных микроразмерными керамическими и интерметаллидными соединениями при температуре испытаний 300 С повышается в сравнении с матричным сплавом на 40-45% в композите на основе сплава АК12, и в 2-3 раза в КС на основе сплава АК12М2МгН.
Наиболее важными триботехническими характеристиками материалов являются износостойкость и коэффициент трения.
Испытания матричных сплавов показали, что они имеют высокую интенсивность изнашивания, свыше 4·10-2 мг/м при 1000 мин-1.
Интенсивность изнашивания КС, модифицированных наноразмерными частицами, почти вдвое меньше, чем у матричного сплава.
Модифицированные КС, содержащие в составе керамические частицы микронного размера, превосходят по этому параметру матричный сплав в 8-10 раз.
Установлено, что модифицирование КС не оказывает существенного влияния на изменение коэффициента трения. Присутствие в композиции микронных частиц SiC существенно снижает интенсивность изнашивания литых образцов, но приводит к незначительному увеличению коэффициента трения.
Важное влияние на качество литых изделий из КС оказывают такие технологические свойства как жидкотекучесть и усадка.
Экспериментальные исследования жидкотекучести позволили установить, что её величина существенно зависит от количества упрочняющих соединений. В композиции, армированной алюминидами титана и наночастицами, она снижается в среднем на 15 % в сравнении с матричным сплавом, а в КС, упрочнённом нано- и микроразмерными частицами SiC и интерметаллидными фазами разница составляет 40 % (рис. 3).
1 - АК12М2МгН 2 - АК12М2МгН+3%Ti+0,2Al2O3(15нм) 3 - АК12М2МгН+3%Ti+3%Ni+0,2Al2O3(15нм) 4 -АК12М2МгН+3%Ti+3%Ni+0,2%SiC(40нм)+5%SiC(14мкм) t, С Рисунок 3 – Жидкотекучесть алюмоматричных КС Анализ показывает, что жидкотекучесть алюмоматричных КС находится на уровне известных алюминиевых сплавов типа АЛ19, АЛ7 и АЛ13, что позволяет применять обычную гравитационную заливку при соответствующих режимах, рекомендованных для этих сплавов – 700-750 оС.
Результаты исследований линейной усадки КС представлены в таблице 3.
Таблица 3 – Линейная усадка алюмоматричных КС Состав Усадка, % АК12М2МгН 1, АК12М2МгН+3%Ti+0,2Al2O3(15нм) 0, АК12М2МгН+3%Ti+3%Ni+0,2Al2O3(15нм) 0, АК12М2МгН+3%Ti+3%Ni+0,2%SiC(40нм) +5% SiC(14мкм) 0, Полученные результаты показывают, что усадка КС уменьшается с увеличением доли армирующих компонентов в матричном сплаве. Это можно объяснить тем, что с увеличением количества наполнителя в композиции уменьшается доля жидкой фазы, которая является основной составляющей усадки. Уменьшение усадки способствует снижению дефектов усадочного происхождения, а также позволяет уменьшать объём питающих прибылей, что приводит к увеличению технологического выхода годного.
В пятой главе по результатам проведенных исследований разработан технологический процесс получения отливок из алюмоматричных КС с наноразмерными компонентами (рис. 4).
Подготовка Подготовка порошкового расплава наполнителя Расплавление, Механоактива рафинирование Термическая Прокалка ция и нагрев до обработка нанопорошков при порошковых температуры порошков Ni и 450-500 оС и 800±10 оС компонентов в Ti при микропорошков течение температуре при 550-600 оС 60-90мин 100-120 оС в SiC, Al2O3 и др. в течение течение 50-60 мин 1,5-2 часов Брикетирование полученной Ввод брикета смеси под в расплав давлением 50-60 МПа и нагрев брикета до 100-120 оС Выдержка композиции 15-20 мин Разливка при для полного 700-750 оС протекания in-situ реакции Рисунок 4 – Схема технологического процесса получения отливок из алюмоматричных КС, модифицированных наночастицами При использовании данной технологии отпадает необходимость в использовании специализированного оборудования для ввода армирующих компонентов в расплав, и главное, исключается интенсивное механическое перемешивание расплава в процессе приготовления композиции, что в свою очередь, уменьшает её газонасыщение и окисляемость.
Для изготовления отливок из алюмоматричных КС могут быть использованы методы литья в землю, в кокиль, под давлением, с кристаллизацией под давлением и др.
Для ОАО «Ставровский завод автотракторного оборудования» была изготовлена партия литых заготовок втулок подшипников скольжения для технологического оборудования. Проведенные опытно-промышленные испытания подшипников скольжения в однокривошипных открытых прессах мод. КД2128Е, продольношлифовальных станках мод. 3Б722 и бесцентровошлифовальных станках мод. 3А184 показали, что внедрение алюмоматричных КС обеспечивает получение экономического эффекта до 25000 руб. на единицу продукции за счёт увеличения межремонтных циклов и снижения себестоимости изготовления деталей.
На предприятии ООО «Касимовский механический завод №8» литые изделия из алюмоматричных КС прошли опытно-промышленные испытания в качестве деталей рабочей пары плунжер-цилиндр и червячного редуктора дозировочного одноплунжерного насоса мод. НД 2,5 100/40 К14А.
Стендовые испытания показали, что литые изделия, изготовленные из комплексно-армированных КС, характеризуются высокой эксплуатационной надёжностью и обеспечивают увеличение ресурса работы оборудования за счёт повышения износостойкости с 2000 до 2500 мото-часов.
Технология получения отливок из алюмоматричных КС освоена и применяется на ООО «НПП «Алюмоматричные композиционные материалы», созданном при поддержке Фонда содействия развитию малого предпринимательства в научно-технической сфере в рамках программы «СТАРТ-07».
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Установлено, что экзогенные наноразмерные частицы SiC и Al2O оказывают модифицирующее влияние на размер и морфологию образующихся в расплаве интерметаллидных соединений. Форма интерметаллидов становится более округлой, и их средний размер уменьшается с 18-20 мкм до 6-8 мкм. Фазовый состав алюмоматричных композиционных сплавов (КС), модифицированных наночастицами, практически не изменяется при выдержке композиции в жидком состоянии до 1,5 часов, что свидетельствует о термостабильности таких сплавов.
2. Установлены оптимальные температурно-временные режимы получения отливок из алюмоматричных КС, модифицированных наночастицами, обеспечивающие формирование заданной структуры и свойств литых заготовок: температура брикета 100-120 С;
температура расплава 790 810 С;
минимальное время выдержки композиции до разливки 15 мин.
3. Установлено, что модифицирование алюмоматричных КС наночастицами способствует повышению их твёрдости. При температуре испытаний 300 С твёрдость КС на основе сплава АК12 повышается в среднем на МПа, а на основе сплава АК12М2МгН в сочетании с термообработкой на 60-80 МПа в сравнении с матричным сплавом.
4. Интенсивность изнашивания литых образцов из алюмоматричных КС, модифицированных наночастицами, в 8-10 раз меньше в сравнении с матричным сплавом. Полученные трибологические характеристики показывают перспективность их использования в изделиях, работающих в условиях повышенных износа и температуры.
5. Установлено, что при температуре 700-750 С исследуемые КС обладают удовлетворительной жидкотекучестью (515-970 мм) и малой усадкой (0,8-1,0%), что позволяет применять для них обычную гравитационную заливку.
6. Разработана жидкофазная технология получения алюмоматричных КС, с использованием нано- и микроразмерных частиц SiC и Al2O3 и интерметаллидных соединений на основе титана и никеля (Патент РФ № 2323991. Заявл. 22.09.2006. Опубл. 10.05.2008, Бюл. №13).
7. Технология получения отливок из алюмоматричных КС освоена и применяется на ООО «НПП «Алюмоматричные композиционные материалы». В результате опытно-промышленных испытаний литых изделий на ОАО «Ставровский завод автотракторного оборудования» и ООО «Касимовский механический завод №8» в качестве втулок подшипников скольжения, рабочей пары плунжер-цилиндр и червячного редуктора установлено, что их применение позволяет увеличить межремонтные циклы профилактики и ресурс работы оборудования, а также за счет снижения себестоимости изготовления деталей обеспечивает получение экономического эффекта до 25000 рублей на единицу продукции.
8. Результаты работы внедрены в учебном процессе на кафедре ЛПиКМ ВлГУ в лекционном курсе по дисциплине «Современные технологии получения литых функциональных и конструкционных материалов».
Результаты исследований опубликованы в следующих работах:
1. Панфилов, A.В. Синтез и микроструктура алюмоматричных композиционных материалов с наноразмерными упрочнителями. Тр. VII съезда литейщиков России, Т.1 / A.В. Панфилов, А.А. Панфилов, А.В.
Петрунин, Т.А. Чернышева, Л.И. Кобелева, Л.К. Болотова. – Новосибирск, 2005. - С. 262-267.
2. Панфилов, A.В. Новые технологии синтеза и микроструктура алюмоматричных композиционных материалов с наноразмерными упрочнителями. Матер. 25 Юбилейной междунар. конф. и выставки «Композиционные материалы в промышленности» / A.В. Панфилов, А.А. Панфилов, А.В. Петрунин, Т.А. Чернышева, Л.И. Кобелева, Л.К.
Болотова. - Ялта-Киев, 2005. - С. 152-155.
3. Панфилов, A.В. Синтез и микроструктура алюмоматричных композиционных материалов, армированных наноразмерными керамическими и интерметаллидными фазами. Материалы III Международного технологического конгресса «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения», ч.1 / A.В. Панфилов, А.А. Панфилов, А.В. Петрунин, Т.А. Чернышева, Л.И. Кобелева. - Омск:
ОмГУ, 2005. - С. 314-317.
4. Панфилов, A.В. Разработка и исследование алюмоматричных композиционных материалов с наноразмерными упрочнителями. Труды III Международной научно практической конференции «Прогрессивные литейные технологии» / A.В. Панфилов, А.А. Панфилов, А.В. Петрунин, Т.А. Чернышева, Л.И. Кобелева, Л.К. Болотова. – М.: МИСиС, 2005. - С.
220-223.
5. Панфилов, A.В. Влияние наноразмерных наполнителей на микроструктуру алюмоматричных композиционных материалов.
Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении», Вып. 5 / A.В. Панфилов, А.А. Панфилов, А.В. Петрунин. – Брянск:
БГИТА, 2006. - С. 131-133.
6. Панфилов, A.В. Формирование микроструктуры алюмоматричных композиционных материалов при введении наноразмерных наполнителей. Материалы 26 междунар. конф. «Композиционные материалы в промышленности» / A.В. Панфилов, А.В. Петрунин, А.А.
Панфилов. – Ялта – Киев: УИЦ «Наука. Техника. Технология», 2006. - С.
347-349.
7. Панфилов, A.В. Синтез наноструктурных композиционных материалов для производства деталей машиностроения. Матер. Всероссийск. Конф.
Инновационных проектов аспирантов и студентов «Индустрия наносистем и материалы» / A.В. Панфилов, А.В. Петрунин, Д.Н.
Бранчуков. – М.: МИЭТ, 2006. – С.171-174.
8. Панфилов, A.В. Патент РФ № 2323991. Литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава и способ его получения / Панфилов A.В., Бранчуков Д.Н., Панфилов А.А., Петрунин А.В., Чернышева Т.А., Калашников И.Е., Кобелева Л.И., Болотова Л.К. // БИ. – 2008. - №13.
9. Панфилов, A.В. Исследования структуры наноструктурированных алюмоматричных композиционных материалов. Труды Междунар.
научно-технической конф. «Высокие технологии и перспективы интеграции образования, науки и производства» / A.В. Панфилов, А.В.
Петрунин, А.А. Панфилов. – Ташкент: МАН ВШ, 2006. – С. 346-348.
10. Панфилов, A.В. Исследование структуры и свойств литых алюмоматричных композиционных материалов с микро- и наноразмерными упрочняющими фазами. Труды VIII съезда литейщиков России. Т.1, «Чёрные и цветные сплавы» / A.В. Панфилов, А.В.
Петрунин, А.А. Панфилов, Ал.А. Панфилов. – Ростов-на-Дону, 2007. - С.
220-228.
11. Панфилов, A.В. Влияние наноразмерных наполнителей на структуру и свойства литых алюмоматричных композиционных материалов антифрикционного назначения. IV Международный технологический конгресс «Военная техника, вооружение и современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения» / A.В.
Панфилов, А.В. Петрунин, А.А. Панфилов. – Омск: ОмГТУ, 2007. – 4.2.
– С. 383-387.
12. Панфилов, A.В. Синтез, структура и свойства объёмных наноструктурированных алюмоматричных композиционных материалов конструкционного назначения / A.В. Панфилов, А.В. Петрунин, А.А.
Панфилов. // Нанотехника. – 2007. - №3(11). - С. 76-81.
13. Панфилов, A.В. Исследование свойств литых наноструктурированных алюмоматричных композиционных материалов. Материалы междунар. конф. и выставки «Композиционные материалы в промышленности» / A.В. Панфилов, А.В. Петрунин, А.А. Панфилов. – Ялта – Киев: УИЦ «Наука. Техника. Технология», 2007. - С. 22-24.
14. Панфилов, A.В. Новый метод синтеза, исследование структуры и свойств металломатричных композиционных материалов, армированных наноразмерными фазами. Труды Владимирского государственного университета «Физико-математические основы индустрии наносистем и материалов», Вып. 3 / A.В. Панфилов, А.В. Петрунин, А.А. Панфилов, Ал.А. Панфилов. – Владимир, 2007. – С. 24-31.
15. Панфилов, A.В. Исследования влияния наночастиц тугоплавких соединений на формирование структуры и свойств алюмоматричных композиционных материалов / A.В. Панфилов, А.В. Петрунин, А.А.
Панфилов. // Литейщик России. – 2008. - №7. – С. 42-46.
16. Панфилов, A.В. Термодинамические аспекты и анализ фазового состава алюмоматричных композиционных материалов с наноразмерными компонентами. Материалы 28 междунар. конф. и выставки «Композиционные материалы в промышленности» / A.В. Панфилов, А.В. Петрунин, А.А. Панфилов. – Ялта – Киев: УИЦ «Наука. Техника.
Технология», 2008.- С. 15-17.
17. Петрунин, А.В. Алюмоматричные композиционные материалы с наноразмерными частицами и соединениями: структура, свойства и применение / А.В. Петрунин // Перспективные материалы: Материалы V Российской ежегодной конф. молодых научных сотрудников и аспирантов – М.: «Интерконтакт наука», 2008. – С. 77-82.
18. Петрунин, А.В. О влиянии модифицирования наноразмерными тугоплавкими частицами на структуру и свойства алюмоматричных композитов / А.В. Петрунин, A.В. Панфилов, А.А. Панфилов. // Литейное производство. – 2009. - №10. – С. 17-20.
Подписано в печать 20.11. Формат 6084/16. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100 экз.
Заказ Издательство Владимирского государственного университета.
600000, Владимир, ул. Горького, 87.