Технология получения комплексно армированных алюмоматричных материалов триботехнического назначения

Краткое описание

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ
ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ МЕТАЛОВ И СПЛАВОВ

На правах рукописи

Щерецкий владимир александрович

УДК 669.15-194

Технология получения комплексно армированных алюмоматричных материалов триботехнического назначения
Специальность 05.16.04 Литейное производство

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук
Затуловкий А.С.

Киев 2013

Содержание

стр.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНаЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ....................................................................

5

ВВедение......................................................................................................

7

Раздел 1

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЛЫ С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ, КЛАССИФИКАЦИЯ И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ..................................................................................................

13

1.1.
Композиционные материалы с дискретной композиционной составляющей..................................................................................................
13

1.2
Технологические подходы получения дискретно упрочненных композиционных материалов.........................................................................

18

1.3.

Влияние размерного фактора свойства материалов, современные достижения в области наноматериалов.........................................................

23

1.4.
Особенности формирования структуры углеродных наноматериалов............................................................................................
24

1.5.
Применение в промышленности дискретно упрочненных композиционных материалов с алюминиевой матрицей............................

29

Выводы по разделу и постановка задач работы.............................................................................................................

32

раздел 2

методы И методики Исследования............................................
34

2.1.
Динамические методы определения механических и специальных свойств дискретно упрочненных композиционных материалов.......................................................................................................

34

2.2
Методика определения количества алюминиевого оксида в алюминиевых порошках с применением синхронного термического анализа..............................................................................................................
39

2.3
Методика определения содержания армирующей фазы в композиционных материалах.........................................................................
47

2.4
Определение количества армирующей фазы в алюмоматричных композиционных материалах химическим методом............................................................................................................

52

Выводы по разделу 2.......................................................................................
53

РАздел 3
РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ ЛИТЕЙНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМОМАРИЧНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИЛОВ, АРМИРОВАННЫХ ДИСКРЕТНЫМИ ЧАСТИЦАМИ РАЗНОГО ТИПА И РАЗМЕРА.........................................................................................
55

3.1.
Разработка способа и оборудования для получения алюмоматричных композиционных материалов армированных комплексными наполнителями.....................

3.2.
Исследования содержания оксида алюминия в исходных алюминиевых порошках..........................................................................................................

67

3.3.
Подготовка порошковых компонентов, технология подготовки порошковых смесей........................................................................................
73

3.4
Технология производства композиционных материалов методом вакуум-компрессионной пропитки, преимущества метода...............................................................................................................

77

Выводы по разделу 3......................................................................................
87

Раздел 4
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИТОВ С РЕГУЛИРУЕМЫМ СОДЕРЖАНИЕМ КОМПЛЕКСНЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ.........................................................
92

4.1
Структура и параметры порошковых сред ..................................................

4.2
Исследование технологических режимов пропитки порошков алюминиевых сплавов матричным расплавом близким по химическому составу..............................................................................................................
104

4.3.
Термодинамические и кинетические характеристики пропитки порошковых сред металлическим расплавом...............................................
110

4.4.
Выбор технологических параметров процесса получения литых алюмоматричных композиционных материалов в соответствии с равновесными диаграммами фазового состояния........................................
116

Выводы по разделу 4.............................................................................
136

Раздел 5
Исследование структуры и свойств алюмоматричных композиционных материалов с комплексными дискретными наполнителями разного типа.............................................................................................

139

5.1.
Исследование структуры алюмоматричных композиционных материалов армированных комплексными наполнителями в том числе ультрадисперсными........................................................................................
139

5.2.
Исследование влияния состава наполнителей и режимов пропитки на физико-механические свойства алюмоматричных композитов.................
146

5.3.

.....................................................................
150

5.4.
Рекомендации по внедрению результатов работы в промышленности.....

161

5.4.1.
Создание защитных газотермических покрытий на основе алюмоматричных композиционных материалов с ультрадисперсными наполнителями.................................................................................................
161

5.4.2.
Исследование влияния ультрадисперсных компонентов на триботехнические свойства защитных электродуговых покрытий...........
170

5.4.3.
Применение композиционных материалов на основе алюминия для замены медных сплавов в производстве износостойких изделий..............
171

общие выводы.........................................................................................
175

Список использованых источников.........................................
179

ПРИЛОЖЕНИЯ
192

КМ композиционные материалы;
МКМ металломатричные композиционные материалы;
ЛКМ литые композиционные материалы;
АКМ алюмоматричные композиционные материалы;
АЛКМ алюмоматричные литые композиционные материалы;
ДУКМ дискретно упрочненные композиционные материалы;
ВКП вакуумно-компрессионная пропитка;
ТКЛР термический коэффициент линейного расширения;
σ поверхностное натяжение расплава, Дж/м2;
Н высота расплава в тигле, м;
ηс статическая вязкость дисперсионной среды, Па·с;
ρс плотность дисперсной твердой фазы, кг/м3;
ds, дисперсность твердой фазы, мкм;
УНТ углеродные нанотрубки;
ЛНУ луковичные наноструктуры углерода;
САП спеченный алюминиевый порошок;
ДМА динамический механический анализ;
АЦП аналого-цифровой преобразователь;
ДСК дифференциальная сканирующая калориметрия;
СТА синхронный термический анализ;
ТГ термогравиметрия;
РЭМ растровый электронные микроскоп;
σтг, σжг, σтж межфазная поверхностная энергия на границах: твердое тело-газ, жидкость-газ, твердое тело-жидкость, соответственно, мДж/м2;
θ контактный угол смачивания, град;
Sп площадь внутренней поверхности пор, м2;
Vп внутренний объем пор, м3;
пористость порошковой среды, %;
площадь сечения частиц , м2;
объем наполнителя, м3;
n количество каналов пропитки в пористой среде;
l длина каналов пропитки, м2;
d диамет

Список литературы

общие выводы

Эффективным способом повышения износостойкости, антифрикционных и механических свойств металлических материалов, является армирование высокомодульными, тугоплавкими частицами. Новые возможности улучшения таких материалов открывает использование нанорозмерных армирующих элементов структурные составляющие которых имеют размерность от единиц до сотен нанометров.
Слабыми местами современных технологий производства дискретно армированных композиционных материалов остаются: неравномерное распределение компонентов наполнителя и плохая адгезионная связь с матрицей. Методы порошковой металлургии достаточно универсальны, но в силу своей специфики их применение не всегда эффективно и экономически обосновано.
Недостаточная изученность процессов формирования композитов при твердожидкой консолидации алюминиевого расплава с дискретными наполнителями и отсутствие эффективных литейных способов обеспечивающих их равномерное распределение в матрице, обуславливают актуальность выполненным исследованиям.
Для решения поставленных в работе задач использовали современные методы исследований, достоверность результатов работы обеспечивалась применением стандартных и оригинальных методик исследований, которые выполнялись на современном лабораторном оборудовании. Для изучения термических характеристик и содержания неметаллических составляющих применили оригинальную методику, основанную на синхронном термическом анализе, которая заключается в определении разницы теплот плавления исследуемого образца и эталонного сплава, а также химический и гранулометрический методы анализа.
Работа содержит ряд важных научно-практических результатов.
1.Проанализированы современные технологии производства алюмоматричных композиционных материалов и методы объединения композиционной составляющей с металлическими матрицами, определены наиболее эффективные и рациональные подходы изготовления отливок из композиционных материалов.
2.Предложено технологическое решение получения алюмоматричных дискретно армированных композитов, которое эффективно объединяет три подхода: литье в металлическую форму, пропитку жидким расплавом и методы порошковой технологии. Реализована новая технология получения комплексно армированных алюмоматричных композиционных материалов на основе метода вакуумно-компрессионного пропитки, отработаны технологические режимы пропитки в зависимости от состава композиционной составляющей. Разработана конструкция оригинального оборудования для смешивания порошковых составляющих и их пропитки, создана методика подготовки исходных материалов порошковых смесей, обеспечивающая успешную их пропитку. Разработана общая технологическая схема получения композиционных отливок по новой технологии. Технологический процесс получения дискретно армированных композиционных отливок включает следующие основные этапы: выбор исходных шихтовых материалов, подготовка исходных порошковых компонентов, подготовка формы, пропитка, конечная обработка отливки.
3.Создана экспериментальная установка вакуум-компрессионной пропитки, конструкция которой позволила получать металоматричные композиционные изделия и литые заготовки заданного состава с равномерным распределением композиционной составляющей. Предложенное технологическое решение изготовления композиционных отливок имеет ряд преимуществ в сравнении с существующими технологиями и обеспечивает успешное введение ультрадисперсных компонентов в металлическую матрицу. Критическое сравнение технологических процессов изготовления дискретно армированных алюмоматричных композитов предложенным методом ВКП и методом САП выявило ряд преимуществ предложенной технологии: меньшее количество технологических операций, не требуется применения дорогого оборудования. Метод ВКП позволяет использовать все выгоды ПМ, комбинируя их с более экономичными литейными технологиями.
4.Выполнена классификация литейных дефектов композиционных отливок, типичных для метода ВКП, относительно причин их возникновения на различных этапах получения.
5.Исследованы кинетические параметры пропитки порошковых смесей в литейной форме, установлена зависимость скорости заполнения формы от характеристик пористой среды формы и пропитывающего расплава при вакуум-компрессионной пропитке.
6.Впервые исследовано комплексное воздействие композиционных компонентов (SіC, WC, TiN, Al2O3, графит, фуллерены луковичные структуры) на механические и триботехнические свойства композиционных материалов на базе литейных сплавов АК7, АК12, АК12М2МгН. Показано, что ультрадисперсные компоненты в количестве до 1 вес. % не снижают механические свойства материала, такие материалы могут использоваться в паре трения со сталью в условиях сухого трения при скоростях трения до 2 м/с и нагрузке до 1,2 МПа.
7.Установлено, что комплексно армированные композиты с ультрадисперсными и микророзмерными частицами различного функционального назначения являются материалами триботехнического назначения с высоким уровнем свойств, такие материалы в условиях сухого трения при скоростях до 2 м/с и нагрузках до 2,4 МПа по коэффициенту трения и интенсивности износа не уступают БрАЖ 9-4.
8.Создана технология получения композиционных материалов на основе алюминиевых сплавов с различной конфигурацией наполнителя, которая позволяет целенаправленно влиять на триботехнические и механические свойства материалов, и приблизить их к уровню медных сплавов за счет комплексного укрепления частицами разного типа и размера.
9.Испытания защитных покрытий полученных путем газотермического напыления разработанных композиционных материалов позволили рекомендовать их в качестве питателей для электродуговых установок нанесения покрытий на металлические конструкции и узлы механизмов, работающих в условиях повышенного риска износа под действиями факторов внешней среды.
10. Результаты промышленных испытаний комплексно армированных алюмоматричных композиционных материалов показали возможность применения разработанных материалов в качестве подшипников скольжения, узлов трения механизмов и подтвердили перспективность их промышленного применения.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ Источников

.
М.Л. Композиционные материалы / СОЖ, 1999. №5. С. 33 41.

.
5. J. N. Fridlyander Metal matrix composites. Chapman & Hall, 1995. 682 p.

. 140 с.

/ Соросовский образовательный журнал, 1999. №5. С. 33 41.

.
.
.
. С. 49 63.

. С. 34 36.
C.335352.
С. 42 45.
Metalls Rew, 1986. Vol. 31. № 9. P.115 139.
.
. С. 49 63.
.
Metall. et Mater, 1995. Vol. 32 № 12. Р. 1923 1929.
№ 2. С. 53 63.
. С. 3 10.
/ Tribology letters, 2004. Vol. 17. №3. P. 445 453.
. 45 с.
.
.
.
с.
.
. С. 97 101.
с.
. Р. 1347.
. 272 с.

, 1995. Vol. 6. № 1-4. Р. 205.
. С. 3 29.
. Р. 1 29.
. С. 422.

47. H. W. Kroto, David R. M. Walton he Fullerenes: New Horizons for the Chemistry. Cambridge University Press, 1993. 154 p.
48. H. W. Kroto C60: Buckminsterfullerene, the celestial sphere that fell to Earth. University of London, 1993. 23 p.

187 с.
с.
. 336 с.
53. Елецкий А. В. Углеродные нанотрубки / Успехи физических наук, 1997 . № 9, С. 945 972.
.
.
№ 6. P. 17 20.
.
.
.
.
.
62. Evans, C. S. Marchi, A. Mortensen Metal Matrix Composites in Industry: An Introduction and a Survey. Springer, 2003. 423 p.

США / Tsujimura; Taro (Shibuya, JP), Manabe; Shuji (Kokubunji, JP), Watanabe; Akira (Susono, JP), Sugai; Yoshihiro (Susono, JP) // опубл. 02.07.2012.
.
с.

с.
69. О. В. Карбань, Е. И. Саламатов, О. Л. Хасанов, Г. Н. Когин, О. М. Немцова, Е. А. Печина Нанокомпозиты на основе Al2O3 / М.: Нанотехнологии и информационные технологии технологии XXI века [Мат. Межд. науч-практ. конф.], 2006. С. 174 175.

Корягин, И.В. Пименов, В.К. Худяков Способы обработки материалов. КГУ, 2000. 448 с.
№ 5. P. 1415 1426.
73. He Chunlin, Wang Jianming, Yu Wenxim, Cai Qingkui, He Fengming, Sun Xudong Microstructure and tensile behavior of composite materials with aluminum matrixreinforced with nano SiC / Rare Metal Mater., 2006. № 35. P. 156 160.
74. А. А. Потапов Стратегия становления нанотехнологии / Нано- и микросистем. техн., 2009. № 6 С. 4 -12.
75. Lewandowska MaLgorzata, KurzydLowski Krzysztof J. Thermal stability of a nanostructured aluminium alloy / Mater. Charact., 2005. № 4-5 P. 395 401.
76. Valdez S., Campillo B., Perez R., Martinez L., Garcia H. A. Synthesis and microstructural characterization of Al Mg alloy SiC particle composite / Mater. Lett., 2008. № 17-18 P. 2623 2625.
77. Tian Xiaofeng, Xiao Bolu, Jianzhong, Wan Zhiyong, Zuo Tao, Zhang Weiyu Mechanical properties of composite aluminum 2024 reinforced SiC nanoparticles / Chin. J. Rare Metals, 2005. № 4 P. 521 525.
78. Т. А. Чернышова, Ю. А. Курганова, Л. И. Кобелева, Л. К. Болотова, И. Е. Калашников, И. В. Катин, А. В. Панфилов, А. А. Панфилов Композиционные материалы с матрицей из алюминиевых сплавов, упрочненных частицами, для пар трения скольжения. / Конструкции из композиционных материалов, 2007. - № 3 С. 38 48.
79. Пат. № 2323991, РФ. Литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава и способ его получения / Панфилов А. В., Бранчуков Д. Н., Панфилов А. А., Петрунин А. В., Чернышова Т. А., Калашников И. Е., Кобелева Л. И., Болотова Л. К. // Опубл. 10.05.2008.
80. Stefanescu Florin, Neagu Gigel, Mihai Alexandrina Practical aspects of the solidification of molten metal composite materials / Bucharest: Politehn. Univ., 2007. № 4. P. 47 58.

.
р.

Oxford: Blackwell Publishing, 2008. 464 р.

с.

с.
.
Р. 669687.
.
.
.
№11. P. 1054 1056.
.

с.

107. Затуловский С. С., Щерецкий В. А. Применение комплексной порошково-литейной технологии получения композиционных материалов на основе промышленных Al сплавов, армированных дискретными частицами [тезисы докл] / Матер. «High Mat Tech» межд. науч.-техн. конф., 2009 . С. 289.
108. Затуловский С. С., Щерецкий В. А. Литейно-порошковая технология получения композиционных материалов с широким диапазоном номенклатур и фракционных размеров компонентов армирующей составляющей [тезисы докл] / Матер. «High Mat Tech» межд. науч.-техн. конф., 2009. С. 299.
109. Затуловский С. С., Щерецкий В. А. Литейно-порошковая технология получения композиционных материалов с широким диапазоном номенклатур и фракционных размеров компонентов армирующей составляющей [тезисы докл] / Вестник ДГМА, ІІ-я Международная научно-техническая конференция: «Перспективные технологи, материалы и оборудование в литейной промышленности», 2009. С. 311314.
Литейная технология получения алюмоматричных износостойких дисперснонаполненных композиционных материалов и покрытий из них [тезисы докл] / Матер. Международной научно-практической конференции «Перспективные технологии, материалы и оборудование в литейной индустрии», 2010. С. 269-271.
.
/ Дис-ция на соискан. науч. степени канд. техн. наук, спец: 05.16.04. ГТУ МИСИС, 2011. 177 с.
с.
с.
115. с.