Разработка технологических основ дуговой наплавки износостойких покрытий из композиционных материалов системы Al-SiC тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.06, кандидат технических наук Коберник, Николай Владимирович

• Коберник, Николай Владимирович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Коберник, Николай Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЁННЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С МЕТАЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ И ОСОБЕННОСТИ ИХ СВАРКИ И НАПЛАВКИ

1.1. Общие характеристики композиционных материалов.

1.2. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы системы Al-SiC и их трибологические свойства.

1.3. Существующие методы дуговой наплавки дисперсно-упрочнённых композиционных материалов с металлической матрицей.

1.4. Особенности сварки плавлением композиционных материалов системы Al-SiC.

1.5. Выводы и постановка задач исследования.

Глава 2. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКО - ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ,

ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКРЫТИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ СИСТЕМЫ Al-SiC ДУГОВОЙ НАПЛАВКОЙ

2.1. Взаимодействие между частицами карбида кремния и алюминиевой матрицей. 36 2.2 Расчетная оценка влияния температуры на реакции взаимодействия расплава матрицы с карбидом кремния.

2.3. Влияние эффективной вязкости композиционных материалов системы Al-SiC на формирования наплавленного покрытия.

2.4. Выводы по главе

Глава 3. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ

ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

З.1. Выбор и обоснование составов присадочного материала из

КМ для дуговой наплавки.

3.2. Выбор схем и режимов дуговой наплавки КМ.

3.3. Выбор схем и режимов сварки взрывом КМ.

3.4. Методы исследований покрытий из КМ.

3.5. Экспериментальная установка для аргонодуговой наплавки.

3.6. Выводы по главе 3.

Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ДУГОВОЙ

НАПЛАВКИ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ ИЗ КМ

СИСТЕМЫ Al-SiC И ИХ ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА

4.1. Основные технологические схемы дуговой наплавки покрытий из композиционных материалов.

4.2. Получение образцов дуговой наплавкой для проведения испытаний на трение и износ

4.3. Получение образцов сваркой взрывом для проведения испытаний на трение и износ

4.4. Результаты испытания слоев из композиционных материалов на трение и износ.

4.5. Выводы по главе 4. 114 ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 116 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологических основ дуговой наплавки износостойких покрытий из композиционных материалов системы Al-SiC»

Совершенствование и развитие современной техники требует создания материалов, обладающих качественно новым комплексом эксплуатационных свойств. Новыми материалами, отвечающими современным требованиям, являются композиционные материалы (КМ), свойства которых могут заранее проектироваться под определённую задачу.

Композиционные материалы с металлической матрицей, упрочнённой тугоплавкими высокомодульными, высокопрочными частицами керамики, являются весьма перспективными материалами для отраслей машиностроения. Об этом свидетельствует отечественный и зарубежный опыт опробования таких КМ в подвижных сопряжениях различных механизмов и машин.

Среди этих материалов в последнее время большой интерес вызывают дисперсно-упрочнённые КМ системы Al-SiC (КМ с матрицей из алюминиевых сплавов, армированной частицами карбида кремния), которые при соответствующем составе матричных сплавов и определённой объемной доле армирования, обладают низкими значениями коэффициентов трения и дают весьма высокие результаты по износостойкости. Кроме того, такие КМ имеют хорошие литейные свойства и возможность пластической и механической обработки. Важными достоинствами дисперсно-упрочнённых КМ на базе легких алюминиевых сплавов являются их малый удельный вес и низкая стоимость.

Однако для успешного применения новых КМ в машиностроении необходимо совершенствование способов обработки КМ, в том числе, разработка способов сварки и наплавки.

Особый интерес имеет получение наплавленных покрытий из КМ на деталях, работающих в условиях трения. Применение покрытий из КМ на рабочих поверхностях трибосопряжений позволит повысить ресурс работы деталей во фрикционном контакте. Однако анализ литературных и патентных источников, посвящённых данной проблеме, показал, что работы в направлении наплавки покрытий из КМ практически отсутствуют. Это объясняется тем, что определение свариваемости исследуемых КМ ещё находится на стадии накопления экспериментальных данных и, кроме того, отсутствует присадочный материал, который мог бы использоваться при получении наплавленных покрытий.

Из вышеизложенного следует, что разработка технологии получения наплавленных покрытий из дисперсно-упрочнённых КМ системы Al-SiC имеет исключительную актуальность.

Целью работы является повышение износостойкости и трибологиче-ских свойств деталей, работающих в условиях сухого трения, путём аргоно-дуговой наплавки композиционных материалов системы Al-SiC на алюминиевые сплавы.

Заключение диссертации по теме «Технология и машины сварочного производства», Коберник, Николай Владимирович

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований показано, что разработанная технология дуговой наплавки покрытий с использованием присадочных материалов из алюмоматричных дисперсно-упрочнённых композиционных материалов обеспечивает значения интенсивности изнашивания и коэффициентов трения на уровне литых КМ того же состава и покрытий, полученных сваркой взрывом.

2. На основе термодинамических расчетов реакций взаимодействия алюминиевого расплава с карбидом кремния и металлографических исследований установлено, что в условиях дуговой наплавки возможно взаимодействие алюминиевой матрицы и частиц карбида кремния с образованием карбидов алюминия (AI4C3 и Al4SiC4). Протекание реакций взаимодействия матрицы с армирующими частицами может быть ограничено путём легирования матричного сплава кремнием до 11 - 13 %.

3. Металлографическими исследованиями установлено, что изменение жидкотекучести расплава КМ при наплавке покрытий связано с наличием армирующих частиц и резким возрастанием вязкости расплава КМ, содержащего кремний в количествах, превышающих эвтектический состав. Для обеспечения сплавления присадочного материала с подложкой и качественного формирования наплавленных валиков необходимо использовать присадочный материал из КМ с долей армирования не более 10%. и содержанием кремния до 11. .13%.

4. Показано, что при наплавке алюмоматричных КМ системы Al-SiC на базе матриц не легированных кремнием (менее 0,05%), для предотвращения интенсивного взаимодействия алюминиевого расплава с частицами карбида кремния необходимо подавать присадочный материал в хвостовую часть ванны, которая имеет температуру расплава в 3 раза ниже, чем в головной части.

5. При наплавке алюмоматричных КМ на базе матриц, легированных кремнием в количестве 11 - 13% (АК12, АК12М2МгН), обладающих повышенной вязкостью, следует применять схему наплавки с подачей присадочного материала в головную часть ванны, так как, благодаря большому содержанию кремния, взаимодействие частиц карбида кремния с алюминием в расплаве не происходит, и обеспечивается равномерное распределение армирующей фазы в наплавленном покрытии.

6. Трибологические испытания в условиях сухого трения скольжения против контртела из закалённых сталей (HRC>45) образцов с покрытиями из дисперсно-упрочнённых КМ системы Al-SiC, полученных различными способами показали, что интенсивность изнашивания наплавленных покрытий из КМ с матрицей АК12М2МгН при нагрузке 0,23 МПа и скорости скольжения 0,38 м/с уменьшается в 4 раза, а с матрицей AMrl - в 1,5 раза, по сравнению с литым КМ.

7. По разработанной технологии дуговой наплавки с использованием литых присадочных прутков впервые получены гетерогенные покрытия на базе КМ системы Al-SiC, обеспечивающие значения интенсивности изнашивания и коэффициентов трения на уровне литых КМ того же состава и покрытий, полученных сваркой взрывом.

8. Выявлено, что технологической особенностью дуговой наплавки1 КМ системы Al-SiC является возможность получения покрытий с объёмной долей армирования не более 10%, причём при содержании кремния в матричном сплаве менее 1% необходимо использовать схему наплавки с подачей присадочного материала в хвостовую часть ванны, а при содержании кремния 11-13% необходимо подавать присадочный материал по переднему фронту сварочной ванны.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Коберник, Николай Владимирович, 2008 год

1. Взаимодействие металлических расплавов с армирующими наполнителями / Т.А. Чернышова, Л.И. Кобелева, П. Шебо и др. — М.: Наука, 1993-272 с.

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

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

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

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

6. Композиционные материалы. Справочник / Л.Р. Вишняков, Т.В. Грудина, В.Х. Кадыров и др. Киев: Наукова думка, 1985.— 592 с.

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

8. Портной К.И., Бабич Б.Н. Дисперсно-упрочненные материалы — М.: Металлургия, 1974. 200 с.

9. Композиционные материалы: Сб. докладов IV Всесоюзной конференции по композиционным материалам. М., 1981. - 304 с.

10. Ю.Матусевич А.С. Композиционные материалы на металлической основе — Минск: Наука и техника, 1978. 216 с.11 .Композиционные материалы: Справочник/ Под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.

11. Сборник тезисов докладов Московской международной конференции по композитам. Москва, 1990. - Часть I - 294 е.; Часть II - 288 с.

12. Композиционные материалы с металлической матрицей / Под ред. К. Крейдера. М.: Машиностроение, 1978. - Т.4. - 503 с.

13. М.Композиционные материалы: В 8-ми т./ Под ред. JI. Браутмана и Р. Крока. М.: Машиностроение. 1978. - Т.4 — Композиционные материалы с мелаллической матрицей. - 504 с.

14. Волокнистые композиционные материалы с металлической матрицей /М.Х. Шоршоров, А.И. Колпашников, В.И. Костиков и др.; Под ред. М.Х. Шоршорова. -М.: Машиностроение, 1981. 272 с.

15. Сварка и свариваемые материалы: Справочник / Под общ. ред. В. Н. Волченко. М.: Металлургия, 1991. - Т.1 - Свариваемость материалов; Под ред. Э. JI. Макарова. - 528 с.

16. Чернышова Т.А., Кобелева Л.И., Болотова Л.К. Дискретно армированные композиционные материалы с матрицами из алюминиевых сплавов и их трибологические свойства // Металлы 2001. - №6. - С. 85-98.

17. Поведение при сухом трении скольжения дисперсно наполненных композиционных материалов на базе алюминиевых сплавов с различным уровнем прочности / Т.А. Чернышова, Л.И. Кобелева, Л.К. Болотова и др. // Перспективные материалы 2005. - №5. - С. 38 - 44.

18. Composites of aluminum alloys: fabrication and wear behaviour /F.M. Hosking, F. Portillo, R. Wunderlin ex oil //J. Mater.Sci. 1982. - V. 17, №2. - P. 477498.

19. Sannino A.P., Rack H.J. Dry sliding wear of discontinuously reinforced aluminium composites: review and discussion // Wear. 1995. - №189. - P. 119.

20. How H.C., Baker T.N Characterisation of sliding friction-induced subsurface deformation of Saffil-reinforced AA6061 composites //Wear. 1995. - №232. -P. 106-115.

21. Shipway P.H., Kennedy A.R., Wilkes A.J. Sliding wear behaviour of aluminium-based metal matrix composites produced by a novel liquid route //Wear.- 1998.-№216.-P. 160-171.

22. Строганов Г.Б., Ротенберг B.A., Гершман Г.Б. Сплавы алюминия с кремнием. М.: Металлургия, 1977. - 272 с.

23. Буше Н.А. Подшипниковые сплавы для подвижного состава. — М.: Транспорт, 1967. 224с.

24. Композиционные материалы с матрицей из алюминиевых сплавов, упрочнённых частицами, для пар трения скольжения / Т.А. Чернышова, Ю.А. Курганова, Л.И. Кобелева и др. // Конструкции из композиционных материалов 2007. - №3. - С. 38-48

25. А.С. № 1655686 (СССР). Способ дуговой наплавки композиционных покрытий / Н.Н. Дорожкин, Н.Н. Петюшев, В.М. Изоитко и др // Б.И. -1991.-№28

26. Особенности автоматической дуговой наплавки композиционных сплавов / А.П. Жудра, В.И. Махненко, М.А. Пащенко и др. //Автоматическая сварка. -1975. №8. - С. 16-19.

27. A.C. № 1622097 (СССР). Способ плазменной наплавки композиционных сплавов /А.И.Белый, В.И. Дзыкович, В.И. Кобец и др. // Б.И. 1991. - №6

28. A.C. № 1542723 (СССР). Способ наплавки алюминия / Г.А.Храпов, А.Н. Шаповалов, В.И. Астахин и др. // Б.И. 1990. - №10

29. ЗО.Чернышова Т.А. Проблемы создания сварных конструкций из композиционных материалов. //Новые металлургические процессы и материалы. -М.: Наука, 1991. С. 142-149.

30. Ellis М.В. Joining of А1 based MMCs - a review. //Materials and Manufacturing Processes. - 1996. -V. 11, №1. - P. 44-66.

31. Threodgil P.H. Recent Advances in Joining of A1 MMCs. //Proc. of Conf. Adv. Joining Technologies for New Materials. II. - Florida (USA), 1994. - P. 450-452.

32. Partridge P.G, Dunford D.V. The role of interlayers in diffusion bonded joints in metal-matrix composites // J. Mater. Sci. -1991. №26. - P. 2255 - 2258.

33. Soldadura por diffusion de una allacion de aluminio (AA2124) reforzada con monocristales de SiC, mediante intermediaries de Al-Li (AA8090) /А. Urena, J.M. Gomeg de Salazar, M.D. Escalera, E. Escrilne // Review Soldadura. -1994. -V. 24, №3. P. 69-74.

34. Partridge P.G., Shepherd M., Dunford D.V. Statistical analysis of particulate interface lengths in diffusion bonded joints in a metal-matrix composite //Journal Materials Science, -1991. -№26. P. 4953 - 4960.

35. Inertia-friction welding of SiC-reinforced 8009 aluminium / TJ. Lienet, W.A. Baeslack (III), J. Ringnalda et. al // Journal Materials Science. -1996. V. 31. — P. 2149-2151.

36. Ignatowitz E. Zur Herstellung eines Kohlenstoffverstarkten Aluminium: Dissertation Verbund-Wersloffe. - Karlsruhe, 1973. - 164 s.

37. Черепивская E.B., Рябов B.P. Сварка давлением дисперсно-упрочнённых композиционных материалов, содержащих частицы карбида кремния (обзор) // Автоматическая сварка. 2001. - №9. - С. 13-20.

38. Исследование структуры сварных соединений дисперсно-упрочненного алюминиевого сплава. / В.Р. Рябов, А.Н. Муравейник, А.А. Бондарев и др. // Технология легких сплавов. 1999. - №12. - С. 139-144.

39. Черепивская Е.В., Рябов В.Р., Сварка плавлением дисперсно-упрочнённых композиционных материаловна основе алюминия, содержащих частицы карбида кремния // Автоматическая сварка. -2002. №4. — С. 12-18.

40. Влияние термического цикла дуговой сварки на структуру и свойства сварных швов дисперсно наполненных металлокомпозитов / Г.Г. Чернышов, A.M. Рыбачук, Т.А. Чернышева и др. // Сварочное производство.-2001.-№11.-С. 7-13.

41. Чернышов Г.Г., Паниченко С. А., Чернышова Т. А. Сварка металлокомпозитов. // Технология машиностроения. 2003. - №1. - С. 2429.

42. Оценка равномерности распределения армирующей фазы в дискретно упрочненных композиционных материалах по методу мозаик Дирихле / Т. А. Чернышова, Д.Н. Шишкин, Л.И. Кобелева и др. // Материаловедение. 2000. - №11. - С. 24-28.

43. Ahearn J.S., Cooke C., Fishman S.G. Fusion welding of SiC-reinforced Al composites// Metal Construction. 1982. - V. 14, №40. - P. 192-197.

44. Исследование свариваемости дисперсно-упрочнённого композиционного материала Al+SiC / В.Р. Рябов, А.Н.Муравейник, В.П. Будник и др. // Автоматическая сварка. -2001. №11. - С. 15-19.

45. Дуговая сварка дискретно армированных композиционных материалов с алюминиевыми матрицами: структура и свойства / Г.Г. Чернышов, Т.А. Чернышова // Заготовительные производства в машиностроении. 2004. -№5. - С. 5-9.

46. A comparative study of the MIG welding of Al/TiC composites using direct and indirect electric arc processes / R. Garcia, Y.H. Lopez, E. Bedolla et. al. // Journal of materials science. 2003. - №38. - P. 2771-2779.

47. Pat.743175 USA Method of welding metal matrix composites / Das. K. Bhadwan. 1988.

48. Lienert T.J., Fraser H.L., Hooper F.M. Laser and electron beam welding of SiC-reinforced 8009 aluminum // Abs. of papers presented at 76th AWS annual meeting. -Miami: AWS, 1995. P. 121 - 122.

49. Lienert T.J., Lippold J.C., Brandon E.D. Electron-beam welding of SiC-reinforced aluminum A-356 metal matrix composites // Abs. of papers presented at 1993 AWS convention. Houston: AWS, 1993. - P. 157 - 158.

50. Plasma spray of Al-matrix particulate reinforced composites / T. Itsukaichi, T.W. Eagar, M. Umemoto, I. Okane // Welding J. -1996. V. 75, №9. - P. 285-296.

51. Plasma spray of aluminum matrix particulate reinforced composites using osprey composite powder / T. Itsukaichi, T.W. Eagar, M. Umemoto, I. Okane // Quart. J. of JWS. 1992. -V. 10, №2. - P. 101-105.

52. Сварка. Резка. Контроль: Справочник; в 2-х томах/ Под общ. ред. Н.П. Алёшина, Г.Г. Чернышева М.: Машиностроение, 2004. - Т.1/ Н.П. Алёшин, Г.Г. Чернышов, Э.А. Гладков и др. - 491 с.

53. Чернышов Г.Г. Технология электрической сварки плавлением: Учебник для студ. учреждений сред. проф. образования М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 448с.

54. Rocher J.P., Quenisset J.M., Naslein R. A new casting process for carbon (or SiC-based) fibre- aluminum matrix low-cost composite materials// J. Mater. Sci. Lett. 1985. - V. 4, № 12. - P. 1527-1529.

55. Савицкий А.П. Жидкофазное спекание систем с взаимодействующими компонентами Новосибирск: Наука. Сиб. Отделение, 1991. - 184 с.

56. Изучение взаимной диффузии в системе галлий медь/ О.И. Тихомирова, Л.П. Рузинов, М.В. Пикунов и др. // Физика металлов и металловедение. — 1970. - Т.29, № 4. - С. 796-802.

57. Никитин В.И. Физико-химические явления при взаимодействии жидких металлов на твердые М.: Автоиздат, 1967. - 441 с.

58. Бугаков В.З. Диффузия в металлах и сплавах М.: Гостехиздат, 1949. -206 с.

59. Натанзон Я.В., Петрицев В.Я. Кинетика роста слоя металлидных фаз в зоне контакта твердого и жидкого металлов // Адгезия расплавов и пайка материалов (Киев). 1982. - № 10. - С. 60-61.

60. Савицкая Л.К., Савицкий А.П. Термодинамика и механизм контактного плавления металлов Нальчик: Кабардинобалк. кн. изд-во, 1965. -460 с.

61. Carim A.H. SiC/Al4C3 interfaces in aluminum silicon carbide composites //Materials Letters. - 1991.-№12.-P. 153-157.

62. Ehrstrom J. C., Kool W.H. Production of rapidly solidified Al/SiC composites // Journal Materials Science. -1988. №23. - P. 3195-3201.

63. Control of the interface in SiC/Al composites / Jae-Chul Lee, Jae-Pyoung Ahn, Jae-Hyeok Shim, Zhongliang Shi, Ho-In Lee // Scripta Matirialia. 1999. - V. 41, №8.-P. 895-900.

64. Совместимость углеродных волокон с карбидным покрытием с алюминиевой матрицей/ А.С. Исайкин, В.М. Чубаров, Б.Ф. Трефилов и др. // Металловедение и термическая обработка металлов. 1980. - №11. - С. 32-33.

65. Владимиров Л.П. Термодинамический расчёт равновесия металлургических реакций. М.: Металлургия. - 1970. — 528 с.

66. Справочник по расчетам равновесий металлургических реакций (ускоренные методы) / Под ред. А. Н. Крестовникова, Л. П. Владимирова, Б. С. Гуляницкого и др. -М.: Металлургиздат, 1966. 84 с.

67. Mitani Н., Nagai Н. Composites of aluminum alloys // J. Japan Inst. Metals. -1967.-№11.-P. 1296

68. Панфилов А.А. Разработка технологии и исследование свойств литых } комбинированных композиционных материалов системы Al-Ti-SiC: Дис. . канд. техн. наук Владимир, 2002. - 160 с.

69. Тарабаева Л.П., Машихин А.Ю., Есин В.О. Дендритный рост кристаллов в переохлаждённом расплаве // Расплавы. 1992. —№2. - С. 89 - 100

70. Методологические аспекты определения жидкотекучести сплавов с существенно отличающимися теплофизическими характеристиками / В.Л. Лахенко, А.А. Щерецкий, В.В. Апухин и др. // Процессы литья. -2005. №3. - С.28 — 34.

71. Фурмин И.И., Походня И.К. Исследование средней температуры сварочной ванны // Автоматическая сварка. 1955. - №4. — С. 13-30.

72. Походня И.К., Фурмин И.И. О температуре сварочной ванны // Автоматическая сварка. -1955. №5. - С. 14-24.

73. Рабкин Д.М. Распределение температур в ванне при автоматической сварке алюминия // Автоматическая сварка. -1965. №2. — С. 1-11.

74. Духно В.М., Сливинский А.М, Гетманец С.М. Измерение параметров металлической ванны при сварке сплава АМгб в аргоне неплавящимся электродом на постоянном токе при прямой полярности // Автоматическая сварка. -1985. №7. - С. 47-49.

75. Средняя температура металла ванны при дуговой сварке алюминиевых сплавов в инертных газах / А.Я. Ищенко, B.C. Машин, И.В.Довбищенко и др. // Автоматическая сварка. -1994. №11. - С. 15-19.

76. Походня И.К. Газы в сварных швах М.: Машиностроение, 1972. - 256 с.

77. Фукс И.Г., Буяновский И.А. Введение в трибологию: Учебное пособие -М.: Нефть и газ, 1995. 278с.

78. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника) / А.В. Чичинадзе, Э.М. Берлинер, Э.Д. Браун и др.; Под общ. ред. А.В Чичинадзе. М.: Машиностроение, 2003. - 576 с.j