Разработка алюмоматричных композиционных сплавов и усовершенствование жидкофазной технологии их получения для отливок с повышенными триботехническими свойствами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, кандидат технических наук Панфилов, Александр Александрович

• Панфилов, Александр Александрович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Панфилов, Александр Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ РАЗВИТИЯ

ЛИТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ СПЛАВОВ С

МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ.

1.1 Общие характеристики композиционных сплавов

1.2 Анализ современных способов получения КС и их свойств.

1.3 Комплексно армированные КС - одно из новых направлений в создании сплавов с заданными свойствами.

1.4 Взаимодействие между компонентами в композиционных сплавах.

1.5 Выводы и постановка задач исследований.

ГЛАВА 2 МЕТОДИКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АКС И

ИССЛЕДОВАНИЯ ИХ СВОЙСТВ.

2.1 Характеристики материалов, использованных* в работе для получения АКС и способы их подготовки.

2.2 Оборудование, оснастка и технология получения

2.2.1 Оборудование, оснастка и технология изготовления брикетов из порошкообразных наполнителей.

2.2.2 Методика получения АКС на лабораторной установке.

2.3 Методики исследования структуры АКС и их фазового состава.

2.4 Методика измерения твёрдости образцов.

2.5 Методика проведения трибологических испытаний.

2.6 Методики исследования литейных свойств КС.

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ

ОТЛИВОК ИЗ АЛЮМОМАТРИЧНЫХ

КОМПОЗИЦИОННЫХ СПЛАВОВ.

3.1 Термодинамический анализ реакций межфазного взаимодействия, протекающих при получении многофазных АКС.

3.2 Термографический анализ многофазных АКС.

3.3 Исследование структуры и фазового состава отливок из АКС.

3.3.1 Исследование структуры АКС.

3.3.2 Микрорентгеноспектральный анализ образцов

3.3.3 Исследование фазового состава АКС.

Выводы.

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ОТЛИВОК ИЗ АЛЮМОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ СПЛАВОВ.

4.1 Исследование твёрдости АКС.

4.2 Исследование триботехнических характеристик

4.3 Исследование литейных свойств АКС.

Выводы.

ГЛАВА 5 ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

РАБОТЫ.

5.1 Опытно-промышленная апробация результатов работы.

5.2 Оценка экономической эффективности применения многофазных АКС взамен традиционных медных сплавов в узлах трения промышленного оборудования.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка алюмоматричных композиционных сплавов и усовершенствование жидкофазной технологии их получения для отливок с повышенными триботехническими свойствами»

Создание новых материалов, используемых в различных отраслях техники, и разработка или усовершенствование технологий их получения -это актуальные проблемы современного машиностроения, поскольку повышение качества и долговечности продукции являются наиболее приоритетными направлениями развития любого производства.

Известно, что значительная часть механизмов в машиностроении выходит из строя вследствие износа подвижных сопряжений под действием сил трения, поэтому исследованиям в области создания новых материалов с повышенными триботехническими свойствами в последние годы уделяется значительное внимание.

Одним из наиболее перспективных путей решения проблем преждевременного износа деталей является разработка новых составов и технологий получения-новых композиционных сплавов, применение которых позволяет значительно улучшить механические и эксплуатационные свойства изделий [1]. Среди таких материалов значительное место в научных и практических исследованиях занимают алюмоматричные композиционные сплавы (АКС), упрочненные частицами эндогенного и экзогенного происхождения.

Теоретическими и экспериментальными исследованиями российских и зарубежных ученых, в частности И.В. Гаврилина, A.A. Аксенова, Т.А. Чернышовой, A.A. Шерецкого, М. Флемингза, Р. Мерабяна, П. Рохатжи и многих других установлено, что АКС обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционными алюминиевыми сплавами, главными из которых являются высокие удельный модуль, прочность и размерная стабильность, жаропрочность и износостойкость, низкие коэффициенты трения и термического линейного расширения.

Анализ современного состояния в области литых АКС показывает, что наиболее актуальные проблемы, которые ограничивают и сдерживают широкое применение АКС в машиностроении, связаны с поиском решений в областях разработки или усовершенствования оптимальных технологических процессов получения АКС и оптимизации их составов.

Известны различные способы получения композиционных сплавов на основе алюминия, армированных дисперсными упрочняющими фазами. Одним из широко распространенных жидкофазных способов является метод механического замешивания дискретных тугоплавких частиц в расплав, благодаря своей простоте и универсальности. Однако он имеет ряд существенных недостатков, главными из которых являются окисление и газонасыщение матричного сплава и низкий уровень адгезионных связей на поверхности раздела между наполнителем и матрицей. Минимизировать эти недостатки позволяет синтез армирующих фаз непосредственно в расплаве, получивший название реакционного литья, или т-эки процесса. Этот метод обеспечивает возможность получения композитов с высокой термодинамической устойчивостью, отсутствием коагуляции наполнителя, плотным контактом и хорошей адгезией между матрицей и эндогенной упрочняющей фазой, следствием чего является повышенный уровень механических и эксплуатационных характеристик, изделий из, композитов. Кроме того, за счет введения в матричный сплав дополнительно экзогенных армирующих частиц, возможно достичь большего повышения характеристик изделий из композитов [2].

Информация о получении комплексно армированных многофазных АКС в отечественной и зарубежной литературе представлена в ограниченном объеме. В связи с этим, разработка новых композиций многофазных АКС и разработка или усовершенствование методов комплексного' армирования АКС наполнителями эндогенного и экзогенного происхождения; по мнению автора, является принципиально новым концептуальным подходом- к созданию материалов функционального назначения с повышенными триботехническими свойствами, а уровень и значимость проводимых научных исследований соответствует мировому уровню развития науки в данной области.

Работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2002-2006 годы», в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)», при поддержке гранта РФФИ № 05-03-32697-а, а так же при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в рамках программы «У.М.Н.И.К».

Целью работы является разработка новых композиций комплексно армированных многофазных АКС систем А1-Т1-81С-В4С и А1-И-8Ю-В и усовершенствование жидкофазной технологии их получения для отливок с повышенными триботехническими свойствами.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. На основании термодинамического анализа межфазного взаимодействия в многофазных системах А1-Т1-81С-В4С и АЬТьБЮ-В обосновать выбор соотношений исходных компонентов с целью получения многофазных АКС с требуемой долей эндогенных и экзогенных фаз.

2. Усовершенствовать жидкофазную технологию для получения многофазных АКС систем АКП-8Ю-В4С и АШ-ЭЮ-В с использованием комплексного экзогенного и эндогенного армирования и оптимизировать технологические режимы получения сплавов.

3. Провести исследования структуры, трибологических и механических свойств отливок из новых многофазных АКС с различной долей армирующих фаз.

4. На основании опытно-промышленных испытаний изделий из многофазных АКС в узлах трения скольжения различного технологического оборудования оценить эффективность использования АКС в сравнении с традиционными антифрикционными сплавами.

Методики исследований. Результаты работы получены путем теоретических и экспериментальных исследований с использованием металлографического, рентгенофазового и микрорентгеноспектрального анализов. Проведены исследования антифрикционных, механических и литейных свойств материалов. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлена с использованием методов статистического анализа программы Мюгозо11®Ехсе12007.

Научная новизна работы:

• на основании термодинамического анализа межфазного взаимодействия в системах А1-ТЬ81С-В4С и А1 -Ть81С-В дана оценка вероятности образования эндогенных упрочняющих фаз и обоснован выбор соотношений исходных компонентов» с целью получения многофазных АКС с требуемой долей эндогенных и экзогенных фаз;

• выявлена принципиальная возможность получения многофазных АКС систем А1-Ть81С-В4С и АИл^С-В с применением комплексного армирования эндогенными (ТлС, ТТВ2, ИВ, А1В2, Т1А13, Т1А1 и др.) и экзогенными (ЭЮ) фазами различной природы. Установлена роль термовременных режимов при получении многофазных АКС на процессы межфазного взаимодействия; впервые представлены сведения о трибологических, механических и литейных свойствах новых многофазных АКС систем А1-Ть81С-В4С и АКП^С-В.

Практическая ценность:

• разработаны новые композиции многофазных АКС систем АЬТьЗЮ-В4С и АЬТьБЮ-В, комплексно армированных эндогенными и экзогенными фазами;

• усовершенствована жидкофазная технология получения многофазных АКС, армированных эндогенными и экзогенными фазами (Патент РФ №

2323991), включающая новый способ рафинирования алюминиевых сплавов за счет обработки расплава комбинированными флюсами (Патент РФ № 2318029);

• результаты, полученные в ходе исследований, приняты и используются в учебном процессе ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» в лекционном курсе по дисциплине «Современные технологии получения литых функциональных и конструкционных материалов» для магистрантов по направлению 150100.68 «Металлургия».

Реализация результатов работы в промышленности. По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработаны новые композиции многофазных АКС, комплексно- армированных наполнителями эндогенного и экзогенного происхождения, и усовершенствована технология их получения. Опытно-промышленная апробация АКС в условиях ОАО «Ставровский завод автотракторного оборудования», ООО «Ставровский комбинат «Спорт» (Владимирская обл.) и ООО «Литмаш» (Ивановская обл.) показала, что применение АКС в узлах трения скольжения в прессах мод. КД2128Е взамен бронзовых вкладышей опоры эксцентрикового вала,, в продольношлифовальных станках мод. ЗБ722 и безцентровошлифовальных станках мод. ЗА184 взамен бронзовых вкладышей опоры шпинделя в шлифовальной бабке и другого оборудования позволило увеличить в 4-5 раз межремонтные циклы- профилактики оборудования и за счет снижения себестоимости изготовления подшипников скольжения в 3-3,5 раза обеспечить получение экономического эффекта до 30000 рублей на единицу оборудования.

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 российских и международных научно-технических и научнопрактических конференциях: Всероссийской (с международным участием) молодежной научной конференции «XI Туполевские чтения» (г. Казань, 2003г.); Научно-технической конференции «Проблемы машиностроения' на современном этапе» (г. Владимир, 2003г.); III Международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии» (г. Москва, 2005г.); Международной молодежной научной конференции, посвященной 1000-летию города Казани «Туполевские чтения» (г. Казань, 2005г.); XVIII Международной Интернет-конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУСпробмаш-2006) (Москва, 2006г.); Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Брянск, 2006г.); 26-ой, 27-ой и 28-ой Международных конференциях и выставках «Композиционные материалы в промышленности» (г.г. Ялта-Киев, 2006-2008г.); Международной, научно-технической конференции «Высокие технологии и перспектива интеграции образования, науки и производства»^ (Ташкент, 2006г.); Всероссийской конференции инновационных проектов аспирантов и студентов «Индустрия наносистем и материалов» (Москва, 2006г.); VII-VIII съездах литейщиков России (г. Новосибирск, 2005г., г. Ростов-на-Дону, 2007г.); Международной конференции / молодежной школе-семинаре «Современные нанотехнологии и нанофотоника для науки и производства» (г. Владимир, 2008г.); IV межотраслевой научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых с международным участием «Вооружение. Технология. Безопасность. Управление» (г. Ковров, 2009г.); II научно-практической конференции «Заготовительные производства предприятий Волго-Вятского региона» (г. Нижний Новгород, 20 Юг); ежегодных научно-технических конференциях ВлГУ (Владимир).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликована 21 научная работа в журналах и сборниках трудов российских и международных научно-технических конференций, в том числе 3 в журналах из Перечня ведущих научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ; получены 2 патента РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и общих выводов. Диссертация изложена на 134 страницах машинописного текста, включая приложения, и содержит 40 рисунков, 18 таблиц, а также список литературы из 174 наименований.

Заключение диссертации по теме «Литейное производство», Панфилов, Александр Александрович

9. Результаты работы внедрены в учебном процессе на кафедре ЛПиКМ ВлГУ в лекционном курсе по дисциплине «Современные технологии получения литых функциональных и конструкционных материалов» для магистрантов по направлению 150100.68 «Металлургия».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Панфилов, Александр Александрович, 2011 год

1. Найдек, В. Л., Затуловский, С.С. Композиционные материалы — тенденции, проблемы и перспективы развития Текст. / В.Л. Найдек, С.С. Затуловский // Процессы литья. 2004. — №4. - с. 3-10.

2. Панфилов, A.B. Современное состояние и перспективы развития литых дискретно-армированных алюмоматричных композиционных материалов Текст. / A.B. Панфилов // Литейщик России. 2008. - №7. - с. 23-28.

3. Javitz, А. Е. (1965). Design, January 18, 64.

4. Kelly, А. (1967). Sei. American 217, (В), 161.

5. Berghezan, A. (1966). Nucleus 8, (5), 1. (Nucleus S. A. Editeur: 1, rue Chalgrin, Paris 16e).

6. Berghezan, A. Conf. Faite au stage d'etudes: Les Matériaux Nouveaux' -Paris C.P.T. 80, Av. 18 Juin 1940-92500 Rueil-Malmaison.

7. Портной, К.И., Салибеков, C.E., Светлов, И.Л. и др. Структура и свойства композиционных материалов Текст. / К.И. Портной, С.Е. Салибеков, И.Л. Светлов и др. М.: Машиностроение, 1979.- 255 с.

8. Волокнистые композиционные материалы Текст. / Под ред. Дж. Уитона, Э. Скала. -М.: Металлургия, 1978.-240 с.

9. Карпинос, Д.М., Тучинский, Л.И., Вишняков, Л.Р. Новые композиционные материалы Текст. / Д.М. Карпинос, Л.И. Тучинский, Л.Р. Вишняков Киев: Вища школа, 1977. - 312 с.

10. Тарнопольский, Ю.М, Жигун, И.Г., Поляков, В.А. Пространственно-армированные композиционные материалы Текст. / Ю.М. Тарнопольский, И.Г. Жигун, В.А. Поляков // Справочник. М.: Машиностроение, 1987.-244 с.

11. Вишняков Л.Р., Грудина Т.В., Кадыров В.Х. и др. Композиционные материалы. Справочник Текст. / Л.Р. Вишняков, Т.В. Грудина, В.Х. Кадыров и др. Киев: Наукова думка, 1985.- 592 с.i 1

12. Иванова, BiC., Копьев, И.М., Елкин, Ф.М. и др. Алюминиевые и магниевые сплавы армированные волокнами Текст. / B.C. Иванова, И.М. Копьев, Ф.М. Елкин, и др. М.: Наука, 1974. -200 с.

13. Сборник тезисов докладов; Московской международной конференции1.по композитам. М.: Часть I, 1990 - 294 е.; Часть II — 288 с.ь18; Композиционные материалы с металлической матрицей Текст.'. / Под1.ред. К. Крейдера. М.: Машиностроение. 1978, т.4.- 503 с.

14. Акамацу, К., Мураками, Е., Накао; К. Современное состояние иf перспективы армированных волокнами металлическихiкомпозиционных материалов Текст. / К. Акамацу, Е. Мураками, К.

15. Накао // «Кагао то коге». 1985. - Т. 59. - № 9, с. 353-363.

16. Мураками, Е. Современное состояние и перспективы развития металлических композиционных материалов, упрочняемых волокнами разного рода Текст. / Е. Мураками // «Дзайре кагау». Т.21. 1984. -№1. - с. 10-17.

17. Сиота, И., Ватанабэ, О. Межфазная совместимость композиционных материалов с металлической матрицей, армированной волокнами Текст. / И. Сиота, О. Ватанабэ // «Дзайре кагау». Т.21. 1984. - № 1, с. 24-29.

18. Современные композиционные материалы Текст.: Пер. с англ. / Под ред. JI. Браутмана, Р. Крока. М.: Мир, 1970. 672 с.

19. Карпинос, Д.М., Тучинский, Л.И. Термические напряжения в металлах, армированных волокнами Текст. / Д.М. Карпинос, Л.И. Тучинский. -Порошковая металлургия. 1968. - № 11.-е. 77-82.

20. Sara R.V. Fabrication and Properties of Graphite Fiber, Nickel-Matrix Composites. - 14th National Symposium SAMPE, Nov. 1968, Ya, A-4.

21. Withers J.C., Abrams E.F. The Electroforming of Composites Plating. -1968, v. 55, №6, p. 605-611.

22. Сакович, B.H., Тимофеева, Н.И., Мордовии, O.A. Химическая металлизация графитовых волокон Текст. / В.Н. Сакович, Н.И. Тимофеева, O.A. Мордовии // Физикохимия обработки материалов, 1975.-№2.-с. 112-115.

23. Hoover W.R., Herzberg R.M. Metallurgical Trans., 1971, v. 2, № 5, p. 1283-1288.

24. Crossmann R.W., Yue A.S. Metallurgical Trans., 1972, v. 2, № 6, p. 15451555.

25. Лизунов, В.И. Композиционные стали Текст. / В.И. Лизунов. М.: Металлургия, 1978. - 151 с.

26. Сомов, А.И., Тихоновский, М.А. Эвтектические композиции Текст. / А.И. Сомов, М.А. Тихоновский. М.: Металлургия, 1975. - 304 с.

27. Gupta N., Satyanarayana K.G. The solidification processing of metal-matrix composites: The Rohatgi Symposium // Journal of Materials Science. -2006.-Vol. 58, No. 11.-pp. 91-93.

28. Badia F.A., Rohatgi P.K. Dispersion of graphite particles in aluminium castings through injection of the melt // AFS Trans. 1969. - V. 77. - p. 402.

29. US Patent № 3951651. Metal composition and' methods for preparing liquidsolid alloys for casting and casting methods employing the liquid-solid alloys / R. Mehrabian, M.C. Flemings. Patented 20.04.1976.

30. A. Sato, R. Mehrabian. Aluminum matrix composites: Fabrication and properties // Metallurgical and Materials Transactions B. — 1976. Vol. 7, No. 3.-pp. 443-451.

31. S.V. Kamat, J.P. Hirth, R. Mehrabian. Mechanical properties of particulate-reinforced aluminum matrix composites // Acta Metallurgica. 1989. - Vol. 37, Iss. 9.-pp. 2395-2402.

32. A. Mortensen, J.A. Cornie, M.C. Flemings. Solidification processing of metal-matrix composites // Journal of Metals. 1988. - Vol. 40, No. 2. - pp. 12-19.

33. J. Wannasin, M.C. Flemings. Fabrication of metal matrix composites by a high-pressure centrifugal infiltration process // Journal of Materials Processing Technology. -2005. Vol. 169, Iss. 2. - pp. 143-149.42