автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Горячедеформированные порошковые материалы системы Al-Si и Al-Si-C для гильз цилиндров ДВС

005554877

На правах рукописи

Дюжечкин Михаил Константинович

ГОРЯЧЕДЕФОРМИРОВАННЫЕ ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ СИСТЕМЫ Al-Si И Al-Si-C ДЛЯ ГИЛЬЗ ЦИЛИНДРОВ ДВС

Специальность 05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные материалы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 НОЯ 2014

Новочеркасск 2014

005554877

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова».

Научный руководитель кандидат технических наук, старший научный

сотрудник Сергеенко Сергей Николаевич

Официальные оппоненты: Попович Анатолий Анатольевич

доктор технических наук, профессор, федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», директор Института металлургии, машиностроения и транспорта

Мецлер Андрей Альбертович кандидат технических наук, Волгодонский инженерно-технический институт — филиал федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», доцент кафедры машиностроения и прикладной механики

Ведущая организация

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Донской

государственный технический университет»

Защита состоится «16» декабря 2014г. в 70м часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.09 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» по адресу: 346428, Ростовская область, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132 (гл. корпус, ауд. 149).

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» или на сайте \vw\v. npi-tu.ru. . .

Автореферат разослан <43 » 'О 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

—/У

Середин Б.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Увеличение эффективности двигателей внутреннего сгорания (ДВС) путем форсирования предполагает повышение механических и тепловых нагрузок на детали двигателей. Для решения актуальной задачи обеспечения оптимального сочетания свойств материалов цилиндров ДВС могут быть использованы технологии получения горячедеформированных порошковых материалов (ГДПМ) системы Al-Si и Al-Si-C, обеспечивающие повышенную износостойкость и интенсивность отвода теплоты. При изготовлении гильз цилиндров ДВС используются технологии горячего компактирования холоднопрессованных заготовок на основе распыленных порошков сплава Al-Si. Применение струйного компактирования сплава Al-Si позволяет сократить количество операций и обеспечивает формирование мелкодисперсной структуры с равномерно распределенными частицами кремния. Недостатком данных технологий является необходимость создания защитных сред в процессе консолидации порошкового материала.

Проведенные исследования показали, что при спекании гидрохимически легированного оксидом бора В2Оз порошка на основе алюминия обеспечивается предотвращение окисления алюминия и активация процессов спекания в атмосфере воздуха. Использование механохимической активации (МХА) в жидкой среде насыщенного водного раствора борной кислоты (НВРБК) шихты на основе алюминия приводит к формированию поверхностных слоев на порошковых частицах, препятствующих окислению Al при нагреве в воздушной среде и способствующих активации процесса уплотнения при горячей штамповке заготовок.

Для получения порошкового материала системы Al-Si с мелкодисперсной структурой используют механическое легирование в атмосфере азота и аргона. Проблему налипания Al к стенкам кюветы в процессе механического легирования шихты алюминий-кремний устраняют применением жидкой размольной среды спирта. Одним из перспективных способов обработки исходного материала для получения ГДПМ на основе Al является механохимическая активация в среде водного раствора борной кислоты многокомпонентной шихты, в процессе которой

формируются агломераты, характеризующиеся равномерным распределением включений по их объемам.

Отсутствие исследований закономерностей диспергирования-агломерации порошковой шихты алюминий-кремний и алюминий-кремний-графит в высокоэнергетической мельнице в сухих и жидких средах, а также уплотнения пористых заготовок при холодном формовании и горячей штамповке (ГШ), формирования структуры и свойств ГДПМ определяет актуальность и новизну темы диссертации, что свидетельствует о необходимости проведения специальных исследований.

Работа выполнена на кафедре «Материаловедение и технология материалов» Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова в рамках государственного задания на проведение НИР, проект № 7.3767.2011 «Теоретические и технологические основы разработки энергоэффективных способов получения порошковых и композиционных функциональных материалов».

Цель и задачи исследования. Целью работы является установление закономерностей влияния среды МХА на процессы диспергирования-агломерации, холодного прессования, горячей штамповки, формирования структуры, обеспечивающей повышенные физические и механические свойства ГДПМ Al-Si и Al-Si-C.

Для достижения указанной цели были поставлены и решались следующие задачи:

- установить закономерности диспергирования-агломерации в процессе МХА в ВЭМ шихт алюминий-кремний и алюминий-кремний-графит при использовании в качестве сред НВРБК, спирта, спиртового раствора борной кислоты;

- выявить особенности уплотнения при холодном прессовании (ХП) и ГШ заготовок, формирования структуры и свойств ГДПМ системы Al-Si и Al-Si-C на основе механохимически активированных шихт;

- усовершенствовать технологию получения ГДПМ Al-Si и Al-Si-C с повышенными физическими и механическими свойствами на основе механохимически активированных порошковых шихт.

Научная новизна. 1. Установлено наследственное влияние изменения вида модальности распределения по размерам агломерированных частиц шихты, механохимически активированной в жидких средах, на процессы уплотнения и разуплотнения формовок при ГШ, обеспечивающее возможность получения ГДПМ системы Al-Si-C с повышенными физическими и механическими свойствами.

2. Выявлено протекание экзотермических реакций, в отличие от известных аналогов, между компонентами шихты алюминий-кремний-графит, механохимически активированной в НВРБК, и пониженная интенсивность окисления при ее нагреве в воздушной атмосфере за счет формирования защитных пленок.

3. Выявлено наличие твердого раствора Al0i9Sio,i, разлагающегося при нагреве и формирующегося, в отличие от закалки сплава Al-Si, в процессе МХА в среде НВРБК шихт алюминий-кремний-графит.

4. Установлена отличительная особенность влияния МХА шихты в жидкой среде НВРБК, заключающаяся в достижении повышенных значений твердости ГДПМ системы Al-Si-C, по сравнению с известными аналогами получения ГДПМ на основе Al, при активации процессов горячего доуплотнения.

5. Установлено наследование структуры агломератов, формирующейся в процессе МХА шихты алюминий-кремний-графит, горячедеформированным материалом, характеризующимся мелкодисперсной структурой, которая содержит бескислородные фазы (10-50 мкм) на основе Si и Al (0,95-2,35 % мае.).

Практическая значимость работы. На основе проведенных исследований влияния технологических факторов на закономерности механической обработки в ВЭМ, уплотнения при холодном прессовании и горячей штамповке, а также формирования структуры и свойств разработана технология получения горячедеформированного порошкового материала с мелкодисперсной структурой, обеспечивающей повышенные значения предела прочности на срез 220 МПа, твердости 440 HV, включающая двухэтапную МХА, заключающуюся в предварительной обработке шихты алюминий-кремний (18 % мае.) в течение 3,6 кс при содержании насыщенного водного раствора ортоборной кислоты в шихте 20 % мае. с последующим введением в шихту графита 2,8 % мае. и их совместную обработку в течение 1,8 кс в шаровой планетарной мельнице САНД-1 (диаметр шаров

10 мм, соотношение масс шаров и шихты 10:1) при частоте вращения ротора 290мин"', формование заготовки давлением 310 МПа, нагрев в воздушной атмосфере (650 °С, 0,12 кс), ГШ с приведенной работой уплотнения 70МДж/м .

Практические результаты диссертационной работы рекомендуются для использования научно-исследовательскими и проектно-конструкторскими организациями, осуществляющим разработку, изготовление и внедрение технологий изготовления гильз цилиндров ДВС.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись современные методы исследований и оборудование. Синхронный термический анализ на приборе STA 449 Jupiter проводился в окислительной (воздушной) и инертной (Не) среде. Образцы нагревалась со скоростью 20 К/мин до 800 °С. Рентгенофазовый анализ (РФА) проводился на дифрактометре «ДРОН-7» при медном излучении. Для изучения микроструктурных особенности образцов и проведения рентгенофлуоресцентного микроанализа применялся аналитической комплекс на базе растрового электронного микроскопа VEGA II LMU. Механические свойства ГДПМ определяли при испытаниях на срез тср цилиндрических образцов, твердости Виккерсу (нагрузка 98,07 H с выдержкой 10 с) и микротвердости HV. Результаты, представленные в диссертации, не противоречат экспериментальным и теоретическим данным других исследователей, опубликованным в открытой печати.

Основные положения, выносимые автором на защиту:

• технология получения ГДПМ с мелкодисперсной структурой и повышенными механическими свойствами, включающая МХА в НВРБК шихты алюминий-кремний (18 % мае.), обеспечивающую плакирование частиц размягченным слоем В2О3, препятствующим окислению, формование заготовки, кратковременный нагрев в воздушной атмосфере и ГШ;

• протекание конкурирующих процессов диспергирования-агломерации в течение МХА, обеспечивающих формирование агломерированных частиц шихт алюминий-кремний, характеризующихся одномодальным и бимодальным распределением по размерам;

• смещение динамического равновесия конкурирующих процессов диспергирования-агломерации при переходе механохимической активации шихт

алюминий-кремний от сухих к жидким средам в сторону разрушения исходных частиц алюминия, кремния и агломератов на их основе за счет эффекта абсорбционного понижения прочности;

• наследственное влияние МХА в среде НВРБК шихт алюминий-кремний на процессы формования заготовок и формирования структуры ГДПМ Al-Si, заключающееся в достижении пониженных значений относительной плотности в процессе ХП и активации процессов горячего доуплотнения за счет снижения сдвиговой вязкости В20з, плакирующего частицы, обеспечивающее повышенные значения относительной плотности, предела прочности на срез и твердости.

Степень достоверности и апробация результатов. Представленные в работе экспериментальные исследования были проведены с использованием современных и апробированных методик на высокоточных приборах и установках. Результаты, представленные в диссертации, не противоречат экспериментальным и теоретическим данным других исследователей, опубликованным в открытой печати.

Основные положения и результаты исследований докладывались на ежегодных научно-технических и исследовательских конференциях, проводимых в ЮРГПУ(НПИ) имени М.И. Платова: региональная научно-техническая конференция «Студенческая научная весна» (2010-2013); 60-я научно - техническая конференция (2011); XII международная научно-практическая конференция «Моделирование. Теория, методы и средства» (2012); международная конференция «Академические фундаментальные исследования молодых ученых России и Германии в условиях глобального мира и новой культуры научных публикаций» (2012), а также на шестой международной школе «Физическое материаловедение» г. Новочеркасск (2013г.).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражены актуальность темы, степень ее разработанности, цель и задачи, научная новизна, практическая значимость работы, методы исследования, основные положения, выносимые на защиту, степень достоверности и апробация результатов.

В первой главе «Анализ научно-технической н патентной литературы»

проанализированы технологии получения порошковых материалов Al-Si и Al-Si-C на основе распыленных сплавов, многокомпонентных и механически легированных шихт. Показана перспективность горячей обработки давлением порошковых шихт и формовок на основе шихт алюминий-кремний и алюминий-кремний-графит, обеспечивающей получение материалов с повышенными физическими и механическими свойствами.

На основании анализа научно-технической литературы сформулированы следующие выводы: мелкодисперсные частицы Si сферической формы, равномерно распределенные по матрице на основе Al, повышают механические свойства и износостойкость порошкового материала Al-Si; перспективным способом получения материала на основе Al, упрочненного дисперсными частицами Si, является механическое легирование; горячая обработка давлением порошковых формовок на основе шихт Al-Si приводит к дополнительному измельчению структуры, повышающему механические свойства материала; необходимость применения защитных сред, препятствующих окислению порошкового материала Al-Si при его консолидации, усложняет изученные технологии.

Во второй главе «Методики проведения исследований» представлены составы (таблица 1) и свойства используемых материалов, характеристика технологического и исследовательского оборудования, описаны методики проведения экспериментов. На основании предварительно проведенных исследований горячей штамповки (ГШ) стружкового порошка сплава АЛЗО, была предложена технология изготовления образцов, включающая приготовление шихты, холодное прессование (ХП) давлением 310 МПа, нагрев в воздушной атмосфере при температуре 600 °С (технологии Т1-Т4) и 650 °С (Т5-Т8), ГШ с приведенной работой уплотнения 0-70 МДж/м3.

В качестве исходных материалов для приготовления шихты алюминий-кремний (18 % мае.) использовали порошки алюминия ПА-4 и кремния КрОО фракции менее 63 мкм. Активирование шихт проводили в шаровой планетарной мельнице САНД-1 при частоте вращения ротора 290 мин"1, соотношении масс шаров (диаметр шаров 10 мм) и шихты 10:1. Одноэтапную МХА в течение 5,4 кс шихты алюминий-кремний осуществляли в сухой (Т4) и жидких средах спирта (Т2) и НВРБК (Т1). Для получения механохимически активированной шихты алюминий-кремний-графит использовали одноэтапную механическую обработку в сухой (ТЗ) и жидких средах

спирта (Т6), НВРБК (Т5), спиртовой раствор борной кислоты (Т7). Двухэтапную МХА (Т8) проводили путем предварительной обработкой шихты

алюминий-кремний в течение 3,6 кс в среде НВРБК с последующим введением в шихту графита и их совместную обработку в течение 1,8 кс.

Для оценки степени агломерации частиц шихты в процессе МХА определяли коэффициенты (КАГ0=с1оЛ1н; КАГ|=(1|/(1„) и показатель агломерации (ПАГ=с10/с11) с учетом среднего размера частиц исходной с1н, активированной с1о и прошедшей ручную обработку ф шихты. Степень сопротивления пластической деформации порошковой заготовки в процессе ХП оценивали коэффициентом прессования (Кпр), с учетом давления холодного прессования (рхп) и высотной деформации (£ьхп)

ХП* ХП

где Ь„ и высота формовки в насыпном состоянии и после ХП. Процессы уплотнения и деформации порошковой заготовки при ГШ оценивали значениями высотной деформации г:ь и относительной плотности 0ГШ горячедеформированного порошкового материала, полученного ГШ,

Таблица 1 — План проведения эксперимента при исследовании МХА шихт алюминий-кремний и алюминий-кремний-графит

Состав размольной среды (% мае. от шихты Al-Si) Ва рианты технологий МХА

Т1 Т2 ТЗ Т4 Т5 Т6 Т7 Т8

Н3ВО3, 5,5 - - - 5,5 - 5,5 5,5

н2о 14,5 - - - 14,5 - - 14,5

С2Н5ОН - 20 - - - 20 14,5 -

ГК-3 - - 2,8 - 2,8 2,8 2,8 2,8

eh^nClWhxn),

где hIUI - высота горячедеформированных заготовок.

Механические свойства ГДПМ определяли при испытаниях на срез тср цилиндрических образцов, твердости HV по Виккерсу и микротвердости HV. Синхронный термический анализ, термогравиметрию (ТГ) с дифференциальной сканирующей калориметрией (ДСК), проводился в воздушной и инертной (Не) среде. Рентгенофазовый анализ (РФА) проводился на дифрактометре «ДРОН-7». Для изучения микроструктурных особенности образцов и проведения рентгенофлуоресцентного микроанализа применялся аналитической комплекс на базе растрового электронного микроскопа VEGA II LMU, оснащенный системами энергодисперсионного микроанализа INCA ENERGY 450/ХТ.

• В третьей главе «Исследование закономерностей процессов механической активации шихт алюминий-кремний и алюминнн-кремний-графит» описаны закономерности влияния сухих и жидких сред НВРБК, спирта и спиртового раствора борной кислоты (СРБК) в процессе одноэтапной МХА шихт алюминий-кремний и алюминий-кремний-графит и последовательности введения графита в процессе двухэтапной МХА на гранулометрический состав порошковых шихт, средний размер агломерированных частиц, изменение средних размеров частиц в процессе ручной обработки, характеризующееся объединением активных агломерированных частиц во вторичные агломераты (ПАГ<1) и разрушением агломератов (ПАГ<1). Показано, что в процессе МХА в сухих и жидких средах шихт алюминий-кремний и алюминий-кремний-графит протекают конкурирующие процессы диспергирования-агломерации, обеспечивающие формирование агломератов (КАГо=1,21-5,05). При переходе от сухих сред к жидким, происходит смещение динамического равновесия конкурирующих процессов диспергирования-агломерации в сторону разрушения исходных частиц алюминия, кремния, графита и агломератов на их основе за счет эффекта абсорбционного понижения прочности. Установлено формирование твердого раствора Al0,9Sio,i (рисунок 1), находящегося в неравновесном состоянии, в процессе МХА шихт алюминий-кремний-графит, полученных по одно- и двухэтапной технологиям МХА в НВРБК (таблица 1).

I. имнс SOO

600 400 200 0

Al

Si | Al Si __Д 1 Si Al A1^'SÍ Л Si........Si,v Л|........Si

15 25 35 45 55 65 75 85 28«

Рисунок 1 - Дифрактограмма шихты Al-Si, полученной по технологии Т8

Двухэтапная МХА обеспечивает формирование дисперсной структуры (рисунок 2,3, таблица 2), состоящей из смеси мелких фаз на основе элементов Al, Si, О и бескислородных фаз (5-10 мкм) Si с содержанием Al (5,4 % мае.).

10 мкм

Рисунок 2 - Участок структуры и линия картирования (а), распределение элементов А1 (б); (в); О (г) агломерата шихты алюминий-кремний-графит

300 мкм 50 мкм

а) б)

Рисунок 3 - Изображения в отраженных электронах на темном фоне токопроводящей

матрицы шихты алюминий-кремний-графит (Т8)

Таблица 2 - Элементный состав фаз _

^ В результате синхронного

агломерата шихты алюминий-

кремний-графит (Т8) термического анализа (рисунок 4) в

воздушной и инертной (Не) средах шихт алюминий-кремний-графит, полученных по одноэтапной (Т5) и двухэтапной (Т8) технологиям МХА в НВРБК, выявлен экзотермический эффект с максимумом при температурах 614,3 (Т5) и 604 °С (Т8), обусловленный не только окислением А1 с пониженной интенсивностью, но и протеканием экзотермических реакций между компонентами шихты.

Спектр % мае.

О А1 Ре

Спектр 1 - 5.4 94.6 -

Спектр 2 26.2 67.7 5.4 0.6

ТГ, 102 101 100 89 98 97 96 95 94

Пик- 604»С ДСК, (мВт/мг) Тэкз

50

Изменение ьзассы _п а

7 65 %

600 700 "С

Пик: 619,2 °С ДСК' мВт/м

100 200 300 400 500 600 700 I, иС Рисунок 4 - Кривые теплового потока (ДСК) и изменения массы (ТГ) шихты алюминий-кремний-графит, полученной по технологии Т8, при нагреве в а) воздушной и б) инертной среде (Не)

В четвертой главе «Изучение процессов уплотнения при ХП и ГШ заготовок, формирование структуры и свойств ГДПМ А1-81 и А1-8|-С на основе механохимически активированных шихт» изучены особенности ХП шихт алюминий-кремний (таблица 3) и алюминий-кремний-графит (таблица 4), механохимически активированных в сухих и жидких средах НВРБК, спирта и СРБК, а также влияния последовательного введения графита при двухэтапной технологии МХА шихты алюминий-кремний-графит в среде НВРБК на процессы уплотнения при формовании заготовок.

Таблица 3 -Экспериментальные значения 8ГШ и еь при удельной работе ГШ,

равной 70 МДж/м"

Технологии в.хп 0ГШ £h тср, МПа НУ du, мкм/di, мкм ПАГ

Т1 0,735 1,000 -0,592 113 189 90/71 1,26

Т2 0,834 0,971 -0,281 108 91 73/85 0,86

ТЗ 0,792 0,981 -0,331 79 144 130/140 0,92

Т4 0,811 0,923 -0,236 54 78 424/432 0,98

Таблица 4 -Экспериментальные значения 9ГШ, еь, т ср, и НУ при различных значениях приведенной работы ГШ

Технологии 9х„ Исследуемые параметры значения МДж/м"1 do, мкм ПАГ

1-5 17 30 70 dj, мкм

Т5 0,778 0ГШ 0,754 0,990 1,000 0,989 69 0,50

£h -0,099 -0,466 -0,473 -0,561

68 215 215 192 139

НУ 71 254 252 262

Т6 0,822 0ГШ 0,772 0,949 0,985 0,965 85 0,59

eh -0,019 -0,294 -0,299 -0,385

tcD - 68 108 57 143

НУ 28 77 91 123

Т7 0,853 0ГШ 0,787 0,968 0,950 0,970 288 2,75

£h -0,021 -0,317 -0,291 -0,478

Тс„ - 91 68 91 105

НУ 22 74 111 106

Т8 0,728 0ГШ 0,692 0,948 0,978 0,988 267 1,18

еь -0,039 -0,486 -0,528 -0.548

•Сер 40 164 181 221 227

НУ 53 212 406 444

Установлено наследственное влияние МХА в среде НВРБК шихт алюминий-кремний (Т1) и алюминий-кремний графит (Т5, Т8), заключающееся в достижении

пониженных значениях относительной плотности 0,728-0,778 в процессе ХП и активации процессов горячего доуплотнения (|еь|=0,548-0,592) за счет снижения сдвиговой вязкости В203, плакирующего частицы, обеспечивающих повышенные значения относительной плотности (0,988-1).

Показано влияние параметров одноэтапной МХА в жидких средах НВРБК (Т5), спирта (Т6), СРБК (Т7) и двухэтапной МХА в жидкой среде НВРБК (Т8) шихты алюминий-кремний-графит на процессы ГШ формовок, прослеживающееся в особенностях зависимостей егш (и<гш), характеризующихся участками, расположенными в определенной последовательности: уплотнение-разуплотнение, уплотнение-разуплотнение-уплотнение, непрерывное уплотнение (рисунок 5).

0 20 40 60 80 уогп, МДж/м3

Рисунок 5 - Графики зависимости 8ГШ=Й>П11) для технологий Т5(а), Т6(б), Т7(в), Т8(г) Анализ результатов микрорентгеноспектрального анализа (МРСА) структуры ГДПМ А1-$1-С (рисунок 6,7, таблица 5) на основе шихты, полученной по двухэтапной

технологии МХА в среде НВРБК, выявил равномерно распределенные по матрице дисперсные включения на основе кремния (10-50 мкм), А1203 (1-2 мкм), препятствующие движению дислокаций и обеспечивающие повышенные значения предела прочности на срез 220 МПа и твердости 440 НУ.

Рисунок 6 - Изображения ГДПМ Al-Si (Т8 и wrm=70 МДж/м3) в обратно рассеянных

электронах с указанием участков микроанализа

Таблица 5 - Элементный состав ГДПМ Al-Si, полученного по технологии Т8 при w, равной 70 МДж/м^ по данным микрорентгеноспекгрального микроанализа

Рисунок, № точки Линейные размеры фазы %,весовые Si/Al

С О Al Si Fe Итог

Рис. 6а, точка 1 ~ 10 мкм 2.2 91.6 93.8 41.64

Рис. 6а, точка 2 16.4 32.2 48.6 0.4 97.6 1.51

Рис. 66, точка 1 -10 мкм 4.0 17.1 68.1 7.8 3.5 100.5 0.11

Рис. 66, точка 2 16.9 38.8 41.8 97.5 1.08

Рис. 66, точка 3 17.8 42.0 36.4 0.32 96.6 0.87

Рис. 6в, точка 1 ~ 50 мкм 0.9 95.7 96.6 106.33

Рис. 6в, точка 1 8.9 20.4 67.6 13.1 1.0 111.1 0.19

20 мкм

Рисунок 7 - Изображения ГДПМ Al-Si во вторичных электронах (а) и в излучении Al Ka (б); Si Ka (в)

В пятой главе «Обсуждение результатов исследования и разработка опытной технологии получения порошкового материала гильзы цилиндра»

представлено краткое обсуждение полученных результатов и их практическое применение. Рассмотрено влияние состава размольных сред на параметры размола, холодного прессования, горячей штамповки, закономерности формирования структуры и свойств.

На основе проведенного анализа научно-технической литературы и результатов исследований МХА, ХП, ГШ, структуры и свойств ГДПМ, предложена усовершенствованная технология получения порошкового материала для гильз цилиндров ДВС перспективных моделей ОАО «АВТОВАЗ». Технология включает предварительную МХА алюминиевого порошка ПА-4 совместно с порошком кремния (18 % мае.) в течение 3,6 кс при содержании НВРБК в шихте 20 % мае., последующую обработку активированной шихты алюминий-кремний совместно с графитом (2,8 % мае.) в шаровой планетарной мельнице САНД-1 (диаметр шаров 10 мм, соотношение масс шаров и шихты 10:1) при частоте вращения ротора 290 мин"1 в течение 1,8 кс, формование заготовки давлением 310 МПа, нагрев в воздушной атмосфере при 650 °С в течение 0,12 кс, ГШ с приведенной работой уплотнения 70 МДж/м3.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Усовершенствована технология получения горячедеформированного порошкового материала с повышенными механическими свойствами, включающая двухэтапную МХА, заключающуюся в предварительной обработке шихты алюминий-кремний (18 % мае.) в течение 3,6 кс при содержании НВРБК в шихте 20 % мае. с последующим введением в шихту графита 2,8 % мае. и их совместную обработку в течение 1,8 кс при частоте вращения ротора 290мин"', формование заготовки давлением 310 МПа, нагрев в воздушной атмосфере (650 °С, 0,12 кс), ГШ с приведенной работой уплотнения 70 МДж/м3.

2 Установлены закономерности МХА шихт алюминий-кремний и алюминий-кремний-графит в сухих и жидких средах НВРБК, спирта и СРБК, а также влияния последовательности введения графита при обработке шихты алюминий-кремний-

графит на процессы МХА. Показано, что в процессе МХА в сухих средах шихт алюминий-кремний и алюминнй-кремний-графит происходит налипание части порошковой шихты на шары и агломерация основной массы частиц шихты в крупный (30-50 мм) моноагломерат. В жидких средах динамическое равновесие процессов диспергирования-агломерации смещается в сторону разрушения за счет эффекта абсорбционного понижения прочности.

3. Установлено, что формирующиеся в процессе МХА агломерированные частицы, обладают одномодальным распределением, которое может сохраняться при ручной обработке (ПАГ=0,86-1,26) или преобразоваться в бимодальное, в случае агломерации частиц активной шихты (ПАГ=0,5-0,59). Агломераты, формирующиеся в процессе МХА на основе агломерированных частиц, в случае отсутствия разрушения (ПАГ=0,98) при ручной обработке, сохраняют бимодальное распределение или разрушаются (ПАГ=2,75) путем разрыва связей между агломерированными частицами.

4. Изменение закономерности распределения частиц шихты алюминий-кремний-графит в процессе ручной обработки, полученной по двухэтапной технологии МХА в среде НВРБК, заключается в приведении одномодального распределения к виду, описываемому уравнением Розина-Рамлера F(x)=0,0000015-2,4 х<2'41)-ехр(-0,0000015-х2'4), при значении коэффициента корреляции 0,99, за счет разрушения агломерированных частиц фракции 250-315 мкм и увеличения содержания фракций 100-250 мкм.

5. Сравнительный синхронный термический анализ в воздушной и инертной (Не) средах механохимически активированных в НВРБК по одноэтапной и двухэтапной технологиям шихт алюминий-кремний-графит, выявил эндотермический эффект с минимумом теплового потока при температуре 580 °С, связанный с образованием жидкой фазы за счет контактного плавления частиц Al и Si, а также сплава системы Al-Si, сформированного в процессе МХА. Экзотермический эффект с максимумом при температурах 614,3 °С и 604 °С обусловлен не только окислением с пониженной интенсивностью, но и протеканием экзотермических реакций между компонентами шихты.

6. В результате исследования фазового состава механохимически активированной шихты алюминий-кремний-графит в НВРБК (Т5), шихты алюминий-кремний-графит, полученной двухэтапной МХА (Т8), и нагретых формовок на их основе, установлено формирование твердого раствора А10,951о,1 с гранецентрированной кубической структурой решетки, находящегося в неравновесном состоянии, в процессе МХА и исчезающего при нагреве формовки.

7. Предложена гипотеза формирования бескислородных включений Б! с повышенным содержанием А1 (5,4 % мае.) и глубины его проникновения (5-10 мкм), выявленных в результате МРСА шихты алюминий-кремний-графит, полученной по двухэтапной технологии МХА, под действием увеличения температуры и давления в зоне контакта А1 и 81, а также повышения дефектности структуры.

8. Установлено влияние МХА в среде НВРБК шихт алюминий-кремний (Т1) и алюминий-кремний-графит (Т5, Т8), заключающееся в пониженной относительной плотности (6^=0,728-0,778) в процессе ХП и активации процессов горячего доуплотнения (|еь|=0,548-0,592), за счет снижения, при температуре нагрева, сдвиговой вязкости слоя на основе В203, плакирующего частицы и препятствующего их окислению, что обеспечивает повышенные значения 0ГШ, тср и НУ.

9. Установлено влияние параметров МХА на процессы ГШ формовок на основе использования активированных в жидких средах НВРБК (Т5) и спирта (Т6) шихты алюминий-кремний-графит, приобретающих одномодальное распределение частиц шихты по размерам в процессе МХА и бимодальное в процессе ручной обработки (ПАГ=0,5-0,59), приводящее к экстремальным зависимостям 0П11 (11>1Ш) и тср (и<гш), характеризующейся разуплотнением и разупрочнением (и'гш=35-70 МДж/м3), следующими за уплотнением и упрочнением (н>гш=1-35 МДж/м3). При ГШ формовок на основе активированной в жидкой среде СРБК (Т7) шихты алюминий-кремний-графит, приобретающей бимодальное распределение частиц шихты по размерам в процессе МХА и одномодальное в процессе ручной обработки (ПАГ=2,75), за участком уплотнения (^<„,=1-17 МДж/м3) при повышении |£ь| следует участок разуплотнения (»„,=17-35 МДж/м3) при снижении |еь| и повторного уплотнения («>„,=35-70 МДж/м3) при повышении |бь|. При ГШ формовок на основе активированной в жидкой среде НВРБК (Т8) шихты алюминий-кремний-графит, с

одномодальным распределением частиц шихты по размерам, сохраняющимся после ручной обработки (ПАГ=1,18), зависимости |ch](wrnI), 9rm(wrm), тср(и'гш), IIVOO характеризуются непрерывным ростом.

10. Совместный анализ результатов микрорентгеноспектрального анализа шихты алюминий-кремний-графит, полученной разработанной двухэтапной технологией МХА (Т8), и ГДПМ на ее основе показал, что структура агломератов, состоящих из смеси мелких фаз на основе элементов Al, Si, О и бескислородных фаз (5-10 мкм) Si с растворенным Al (5,4% мае.), наследуется горячедеформированным материалом, характеризующимся мелкодисперсной структурой, которая также включает смеси мелких фаз (1-2 мкм), состоящих из элементов Al, Si, О и бескислородных фаз (10-50 мкм) на основе Si и Al (0,95-2,35 % мае.) и обеспечивает повышенные значения предела прочности на срез (тср=220 МПа) и твердости (440 HV), за счет равномерно распределенных по матрице дисперсных включений.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

По материалам диссертационного исследования лично и в соавторстве опубликовано 11 печатных работ (общим объемом 6,26 печатных листа), в том числе 2 - в журналах, рекомендованных ВАК. Работы, опубликованные по теме диссертации:

в журналах рекомендованных ВАК:

1 Дюжечкин М.К.Особенности формирования горячедеформированного материала на основе стружки алюминиевого сплава АЛ 30 // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки-2012. - № 4. - С. 60-62. -0.32 пл.

2 Дюжечкин М.К., Сергеенко С.Н. Особенности механохимической активации шихты Al-Si и формирования горячедеформированного порошкового материала на её основе [электронный ресурс] // Инженерный вестник Дона, 2014, № 2. - Режим доступа: http://wvvw.ivdon.ni/ru/magazine/archive/n2y2014/2377 (доступ свободный) - Загл. с экрана. — Яз. рус.

в других журналах и изданиях:

1 Дюжечкин М.К., Сергеенко С.Н. Технологии получения гильз и покрытий цилиндров ДВС (обзор). Новочеркасск, 2012. 78 с. Деп. в ВИНИТИ 15.10.2012 г., №403-В2012.

2 Дюжечкин М.К. Особенности горячей штамповки заготовок на основе Al-Si // Физическое материаловедение : сб. тезисов и статей VI Междунар. школы, г. Новочеркасск, 24 июня 2013 г. / Юж.-Рос. гос. политехи, ун-т (НИИ) имени М.И. Платова-Новочеркасск:ЮРГПУ(НПИ),2013. -С. 40-43. -0.18п.л.

3 Дюжечкин М.К. Порошковый композиционный материал Al-Si для гильзы цилиндра ДВС // Моделирование. Теория, методы и средства : материалы XII Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 27 февр. 2012 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НИИ)-Новочеркасск: ЛИК, 2012. -С. 26-29. -0.18п.л.

4 Дюжечкин М.К. Ресурсосберегающие технологии получения порошковых гильз цилиндров ДВС на основе Al (обзор) // Академические фундаментальные исследования молодых ученых России и Германии в условиях глобального мира и новой культуры научных публикаций : материалы Междунар. молодеж. конф., г. Новочеркасск, 4-5 окт. 2012 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ) - Новочеркасск : Лик, 2012. - С. 303-305. -0.14 пл.

5 Дюжечкин М.К. Особенности формования заготовок на основе стружки алюминиевого сплава АЛ 30 / Черноиванов A.B. // Студенческая научная весна - 2012 : материалы регион, науч.-техн. конф. (конкурса науч.-техн. работ) студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Рост, обл., 24-25 мая 2012 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ) - Новочеркасск : ЛИК, 2012. - С. 158-159. - 0.06 п.л.

6 Дюжечкин М.К. Обзор технологий получения порошковых композиционных материалов на основе алюминия для гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания (ДВС ) // Студенческая научная весна - 2011 : материалы регион, науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ) - Новочеркасск : ЮРГТУ, 2011. - С. 373. - 0.06 п.л.

7 Дюжечкин М.К. Анализ технологий получения порошковых гильз цилиндров ДВС // Студенческая научная весна - 2010 : материалы регион, науч.-техн. конф. студ., асп.

и молодых ученых Рост. обл. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ) - Новочеркасск : ЮРГТУ (НПИ), 2010. - С. 131-132. -О.Обп.л.

8 Сергеенко С.Н. Особенности формирования пористых заготовок на основе алюминия / Федосеева М.А., Дюжечкин М.К. // Результаты исследований - 2011 : материалы 60-й науч.-техн. конф. профессорско-преподавательского состава, науч. работников, аспирантов и студентов / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ) - Новочеркасск : ЮРГТУ (НПИ), 2011. -С. 265-267. -0.13п.л.

9 Черноиванов A.B. Многокритериальная оптимизация (МКО) порошковых горячештампованных материалов А1-С / Дюжечкин М.К., Сергеенко С.Н. // Студенческая научная весна - 2013 : материалы регион, науч.-техн. конф. (конкурса науч.-техн. работ) студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Рост, обл., 25-26 апр. 2013 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ) - Новочеркасск : ЮРГТУ, 2013. - С. 213214. -О.Обп.л.

Лнчный вклад соискателя в работы, опубликованные в соавторстве, составляет более 70%.

Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,25. Уч.-изд. л. 1,5. Бумага офсетная. Печать цифровая. Тираж 110 экз. Заказ № 126/14 Отпечатано в Издательстве «НОК» 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 155 а