Технология получения комплексно армированных алюмоматричных материалов триботехнического назначения :

Краткое содержание

Основний зміст Роботи

У вступі розкрито стан проблеми в цілому, обґрунтовано її актуальність, сформульовано мету та основні задачі дослідження. Викладено наукову новизну, практичне значення отриманих результатів та розкрито практичну цінність роботи для промисловості України.

У першому розділі висвітлено основні підходи до виготовлення металоматричних композитів. Проведено аналіз напрямків застосування алюмоматричних композитів, визначено сучасні тенденції та перспективи їх розвитку. Проаналізовано існуючі технологічні процеси введення зміцнювачів в металеву матрицю, виокремлено переваги та недоліки існуючих технологій одержання композиційних матеріалів. Виконано оцінку ефективності застосування загальновживаних зміцнюючих частинок (наповнювачів) алюмоматричних композиційних матеріалів, за складом, структурою, місцем формування (екзогенні та ендогенні), розмірами та функціональним призначенням. Висвітлено перспективи використання ультрадисперсних наповнювачів (в тому числі нанорозмірних), а також труднощі їх введення і рівномірного розподілу в алюмінієвій матриці.

         В сучасних умовах глобальної ринкової економіки та міжнародної конкуренції, для машинобудування все більш актуальними є проблеми зниження ваги деталей, подовження терміну їх експлуатації, підвищення надійності та стабільності робочих характеристик матеріалів. Алюмінієві сплави і матеріали на їх основі послідовно замінюють сталь і чавун в автомобільному виробництві, де виробництво виливок на основі алюмінієвих сплавів неухильно зростає. Так, частка Al-виливок в легковому автомобілі за останні 5 років збільшилася на 15 – 20 %. Така тенденція формується, в тому числі, завдяки більш широкого використання саме композиційних матеріалів. Є попит на нові матеріали, що завдяки складної гетерогенної структури та недорогих структурних складових дозволяє знизити вартість виробництва виробів. Алюмоматричні композиційні матеріали застосовуються в автомобільній, авіаційній, аерокосмічній та інших галузях, як відносно недорогий та легкий матеріал. Алюмоматричні композиційні матеріали використовують в першу чергу для вузлів, що працюють в умовах тертя, механічних та термічних навантажень. Особливо ефективною є заміна металевих вузлів, що в процесі експлуатації піддаються впливу низкоінерційних та вібраційних навантажень. Низька питома вага алюмінієвої матриці дозволяє знизити масу механізмів, в тому числі за рахунок заміни сплавів на основі міді. Вдосконалення алюмоматричних композиційних матеріалів можливе за рахунок застосування комплексних дискретних наповнювачів, що містять компоненти різного типу, фракційного розміру і функціонального призначення, в тому числі ультрадисперсні та нанорозмірні.

         Застосування в промисловості ливарних технологій виготовлення дискретно армованих композиційних матеріалів на основі алюмінієвих сплавів з комплексним зміцненням дозволить отримувати вироби з високими експлуатаційними характеристиками та низькою питомою вагою. Тому, створення наукових і технологічних основ для розробки литих алюмоматричних композитів із заданим рівнем властивостей і способів їх одержання, відповідає сучасним тенденціям розвитку теорії і практики ливарного виробництва, що визначає актуальність цієї роботи.

         Другий розділ присвячений устаткуванню, методам, методикам і матеріалам, що були використані в роботі при проведенні досліджень.

В роботі  використано наступні методи досліджень:

–       метод світлової мікроскопії (Neophot, Epiquant);

–       метод електронної мікроскопії (MS - 46 "CAMECA", JEOL JSM - 6700F);

–       рентгеноспектральний аналіз (ДРОН-3М);

–       методи механічних і триботехнічних випробувань (DMA 242C, МТ-68);

–       метод синхронного термічного аналізу (STA 449F1 “Jupiter”).

         В якості матричних сплавів композиційних матеріалів використовували ливарні сплави АК12, АК7, АЛ25 (АК12М2МгН ГОСТ 1583-93), а також алюміній марок А7 та А8. Склад матричних сплавів обирали згідно умовам термодинамічної стабільності компонентів наповнювача в металевій матриці за відповідного температурного режиму, відповідних ливарних властивостей розплавів, а також необхідного рівня механічних і спеціальних властивостей. В якості наповнювачів застосовували карбід кремнію зелений α - SiC (ГОСТ 26327-84) фракційними розмірами 160 – 200 мкм і 0,3 – 0,5 мкм, графіт (ЕГ) 160 – 200 мкм, багатошарові фуллеренові цибулинні нанорозмірні структури вуглецю (ЦНВ) 100 – 500 нм, а також в складі комплексних дискретних наповнювачів: частинки TiN (ТУ 6-09-110-70), SiO₂ (160 - 200 мкм), WC (160 - 200 мкм, 0,3 – 0,5 мкм). сталевий дріб ШХ-15 (160 - 200 мкм) та інші.

         Третій розділ присвячений аналізу сучасних технологій виробництва алюмоматричних композиційних матеріалів і методів об’єднання наповнювачів з металевими матрицями, та визначенню найбільш ефективних підходів одержання виливків із КМ. Показано можливість вдосконалення існуючих технологій, що дозволяє забезпечити рівномірний розподіл заданої кількості частинок наповнювачів різного розміру в алюмінієвій матриці та комбінувати частинки різного функціонального призначення. В розділі міститься критичний аналіз відомих ливарних способів одержання виливків із КМ, що в своїй основі ґрунтуються на використанні різних методів одержання КМ, які відповідають завданням роботи:

–       наявність рідкої фази безпосередньо на етапі консолідації матеріалу;

–       можливість одержання композиційних матеріалів зміцнених ультрадисперсними частинками;

–       регулювання вмісту наповнювача в широких межах;

–       гнучкість, універсальність та економічність технології.

Запропоновано спосіб, що дозволив ефективно поєднати три підходи: литво в кристалізатор, просочення рідким розплавом і методи порошкової технології, та розробити технологію одержання комплексно армованих алюмоматричних композиційних матеріалів з використанням методу вакуумно-компресійного просочення (ВКП). Були відпрацьовані технологічні параметри одержання алюмоматричних КМ в залежності від режиму просочення та складу наповнювача. В розділі наведено методику підготовки вихідних порошкових сумішей, представлено схеми оригінального устаткування для змішування порошкових складових та їх просочування розплавом.

Основою методу вакуум-компресійного просочування є заповнення форми розплавом за рахунок різниці тисків у камері печі та буфері форми. Відповідно до запропонованої технології, просочування форми з порошковою сумішшю розплавом відбувається без попередньої консолідації порошкових складових тобто виготовлення консолідованої пористої заготовки (пресуванням або спіканням). Частинки наповнювача фіксуються в формі ущільненим алюмінієвим порошком, при цьому ультрадисперсні частинки фіксуються безпосередньо на поверхні алюмінієвого порошку механічним або термохімічним способом. Такий підхід дозволив розробити технологію виготовлення композиційних матеріалів з регульованим вмістом частинок різного типу і розміру та рівномірним їх розподілом. Розроблена та виготовлена експериментальна установка вакуум-компресійного просочення рис.1, дозволила отримувати литі алюмоматричні композиційні заготовки бажаного складу. Запропонована технологія має наступні переваги:

-          можливість одержувати алюмоматричні матеріали, що містять до 70 об.% дискретних частинок дисперсністю від 10 нм до 400 мкм.

-          забезпечує спрямоване керування рівнем властивостей композиційного матеріалу, за рахунок зміни складу та вмісту частинок-зміцнювачів в алюмінієвій матриці;

-          надає можливість одержувати функціонально армовані вироби в тому числі градієнтні матеріали;

-          забезпечує малозатратність та економічність технології.

Створене устаткування забезпечує:

-        просочення композиційних заготівок з вмістом дискретних наповнювачів (≥ 100 мкм) до 70 об. %;

-       кероване заповнення матричним розплавом пористого середовища форми (швидкість просочення визначається за співвідношенням дій зовнішніх сил на розплав);

-       контрольований розігрів форми (досягається регулюванням положення відносно нагрівальних елементів печі з допомогою підйомно-опускаючого механізму);

-       можливість комбінування етапів просочування, рафінування розплаву, прогріву і вакуумування форми, що дозволяє підвищити якість виливків та спростити технологічний процес їх виробництва;

Серед недоліків запропонованого рішення слід відмітити:

-       жорсткі вимоги до фракційного складу частинок в формі;

-       обмеження вмісту ультрадисперсних частинок (в залежності від типу та розміру до 0,5 – 5 ваг. %) в порошкових сумішах;

-       обмежена швидкість заповнення розплавом форми;

-       вихідні алюмоматричні виливки в своєму складі містять задану кількість (залежно від кількості, розміру, складу, морфології алюмінієвого порошку в формі) частинок Al₂O₃.