автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Исследование условий получения и свойств литых композиционных материалов на основе алюминия с добавками углерода и титана

?

МОСКОВСКИЙ АВТОМЕХАНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи БАЛАНДИН ВЛАДИМИР МИХАЙЛОВИЧ

УДК 620.22:669.715(043.3)

ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ПОЛУЧЕНИЯ И СВОЙСТВ ЛИТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АШИНИЯ С ДОБАВКАМИ УГЛЕРОДА И ТИТАНА

Специальность 05.16.01 - металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации ка соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена на кафедре "Литейное производство и композиционные материалы" Владимирского политехнического института.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ГАВРИЛИН И.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

АРЗАМАСОВ В.Б.

кандидат технических наук МОЧАЛИН Н.К.

Ведуцее предприятие: НИИАТМ.

Защита соотоитоя " 2%« СЬсс/циЛ__ 1992 года в ча-

роэ на заседании специализированного совета К 063.49.02 по принужденно ученой степени кандидата технических наук в Московском ртомеханичеоком институте по адресу: 105839, г.Москва, Б.Семеновская ул., 38, Московский автомеханический институт.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского автомеханического института.

Автореферат разоолан " _1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук.

доцент В.М.ЗУЕВ

и§ЗЬ_Е§боты - получить и исследовать новые литые композицисн- -ныв материалы на основе алюминия с углеродсодержащей армирующей фазой,обладание повышенными модифицирующими и триботехническими характеристиками.Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Определение основных технологических режимов получения литых композиционных материалов на основе алюминия с добавками дисперсных твердых частиц и разработка технологии получения литых композитов.

2. Исследование особенностей кристаллизации и структуры литых композитов в зависимости от содержания армирующей фазы.

3. Определение влияния содержания армирующей фазы на фазовый соСтйв.на основные механические и специальные свойства литых композиционных материалов.

4. Исследование модифицирующей способности литых композитов.

Методики^сследований.Результаты работы получены путем теоретических и экспериментальных исследований при использовании дифференциального термического,микрорентгеноспектрального и рентге-ноструктурного анализа,испытаний на прочность,износостойкость, твердость и т.д.

На^чная_новизна_работы заключается в следующем:

1. В расчетные формулы критической скорости замешивания дисперсной армирующей фазы и давления пропитки конгломератов матричным расплавом введен параметр,учитывающий вязкость жидкой матрицы,что позволило уточнить значения определяемых величин на 10%.

2. Установлено,что влияние частиц серебристого графита на процесс кристаллизации выражается в сокращении времени затвердевания композитов пропорционально количеству введенного серебристого графита. При этом зафиксировано изменение температуры ликвидуса и оо-лидуса композиционного материала алюминий-графит в зависимости от содержания дисперсных частиц серебристого графита.

3. Разработан способ получения литых композиционных материалов с эндогенными включениями алюминида титана и карбида титана,образующихся в результате реакции взаимодействия технического углерода и порошка титана с расплавом алюминиевой матрицы.

Ойк?ичеекая_уенность. Разработаны программы для расчетов на ПЭВМ скорости замешивания дисперсной армирующей фазы в расплав

: - I -

; ОВЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

'. г1

.....Актуальность работы. Развитие рыночных отношений в стране

требует создания новых конкурентоспособных материалов как для внутреннего, так и для внешнего рынка, что особенно ваяно. Одним из перспективных путей в этом направлении является создание новых композиционных материалов (КМ).

Этот новый класс конструкционных материалов отличается от традиционных материалов и сплавов, применяемых в различных отраслях промышленности, более высоким уровнем свойств. Применение композиционных материалов (композитов) позволяет повысить прочностные и эксплуатационные свойства конструкций, дает возмол--' ность регулировать в широких пределах тепловые, электрические, магнитные, триботехнические и другие характеристики материалов. Следовательно, применение композитов, способных улучшить важнейшие параметры машин, агрегатов, двигателей, приборов, конструкций, повысить кх надежность, срок службы, снизить энерго- и материалоемкость, обеспечивает повышенна конкурентной способности товаров. ;

Исследования в области КМ являются своего рода социальным заказом, позволяющим получать материалы, которые удовлетворяют / резко возросшим требованиям в изменившихся условиях производства. Значительный интерес представляют литые композиционные материалы (ЛКМ), изучение которых ведется как у нас в стране, так и во многих развитых зарубежных странах. Наиболее перспективны ЛКМ на основе алюминиевых сплавов, содержащие карбид кремния, карбид титана, а также углерод в различных его модификациях. Использование углерода е качестве армирующей фазы в литых композитах-дает возможность снизить плотность материала, повысить некоторые специальные свойства, например, износостойкость.

Проведение исследований в области получения ЛКМ соответствуем координационному плану АН СССР на 1935-1990 гг. пс проблеме 2.21.1.5.

Однако технологии получения специфичны для каждого вида литых композитов и не всегда можно прогнозировать механические свойства композиционных материалов. Мало внимания уделяется исследованию взаимодействия матрицы и армирующей фазы.

матрицы; необходимого давления для пропитки конгломератов; седи-ментационнои устойчивости литых композитов. Освоена технология .••иданип алюиографитовнх композиционных материалов.с различным содержанием графитовой составляющей. Разработан технологический [¡¡омесс получения литых композиционных материалов алюминий -титан - углерод, содержащих дисперсные эндогенные включения. Изучено влияние армирующей фазы как в виде дисперсных частиц серебристого графита, гак и смеси, состоящей из порорков титана и углерода, на механические, специальные свойства и жидкотеку-чеоть матричных материалов алюминия марки А7 и силумина КС 740.

Реализация работы. Разработанные новые литые композиционные ¡атериалы алюминий - оеребристил графит и алюминий - гитан - уг~ ' :ерод внедрены во Владимирском хозрасчетном межотраолевом инстц-■уте механики, технологии и материалов с экономическим эффектом '8,82 тыс. рублей и нашли применение на ряде предприятий страны, роме того, представленные в работе-материалы переданы для ио-ользованил а курсах "Теория композиционных материалов" и "Тех-ология композиционных материалов" для специальности "Машины и ехнология литейного производства" во Владимирском политехниче-<ом институте.

Апробация работы. Результаты исследований были доложена и об-'мдены на:

- 2^-л , 25-", 26-:'. научных конференциях Владимирского по-гехнического института в 1989, 1990, 1991 гг.;

- научно-техническом семинаре, организованном областным аилением К{Т0 машиностроителей, ВПИ, Домок науки и техники оэа НПО, г.Владимир, 1939 г.;

- научно-технической конференции молодых специалистов, г. хднмир, 1989 г.;

- научно-технической конференции "Прогреосивные методы пелу-1ня отливок", г.Нижний Новгород, 1989 г.;

- научно-технической конференции "Прочность, пластичность ериалов и новые процессы их получения и обработки", г.Минск, О г. ;

- межреспубликанской научно-техничеокой конференции "Конст-дионная прочность, долговечность, упрочнение мвтериалов и шей машин", г.Волгоград, 1990 г.;

- П республиканской научно-техничеокой конференции "Повышение качества и экономичности литеиных процессов", г.Одесса, 1990 г.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано девять печатных работ.

Структура и ооъем работы. Диссертационная работа изложена на 159 страницах машинописного текста, содержит 1о таблиц и 32 иллюстрации, состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 107 наименований и приложений.

' ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и сформулироваиа цель проведения исследований, показана научная новизна и практическая ценность работа.

В первой главе на основании изучения отечественных и зарубежных публикаций сделан анализ современного состояния исследуемого вопроса получения литых композиционных материалов с матрицей на основе алюминия и era сплавов. Основной тенденцией последних лег в области технологии композиционных материалов с металлической матрицей является интенсификация работ по жидкофазным методам изготовления. Отмечается, что введение разнообразных компонентов в расплав металла в качестве армирующей фазы изменяет свойства матрицы после протекания процесса затвердевания. В последние годы изменился подход к КМ с металлической матрицей: их рассматривают сейчас не только как конструкционные материалы, но также стремятся использовать их специальные свойства: триботех-нические, демпфирующие и другие.

Затруднения в процессе получения литых композиционных материалов (JIKM) вызваны плохой смачиваемостью большинства керамических упрочнителей при температурах, незначительно превышающих температуру плавления матрицы. Однако использование различных методов воздействия на упрочняющую фазу.позволяет создать приемлемые условия для получения композита.

Акцентируется внимание на вопросах взаимодействия между армирующей фазой и матричным материалом. Трудно разрешимую задачу представляют собой обеспечение физико-химической совместимости

матрицы и армирующей фазы, а также получение, плот-

ного и надежного контакта фаз с оптимальной степенью их взаимо-цействия. Приведены некоторые пути решения этой задачи, суть которых сводится к легированию матрицы, что позволяет уменьшить краевой угол смачивания армирующей фазы расплавом матрицы, уси-тить реакции между компонентами композита. Отмечается, что не-цостаточное внимание уделяется процессам взаимодействия матрицы л армирующей фаЬы, процессам, протекающим при кристаллизации, з также вопросам структурообразования композитов.

Показано, что при всем многообразии методов ввода армирующей {¡азы проблема внедрения упрочнителя в расплав матрицы не решена полностью, так как технологии получения композиционных материалов достаточно специфичны для каждого типа армирующей фазы.

Представляется возможным для решения технологических вопросов ввода армирующей дисперсной фазы в матричный расплав шире приме--г!ять метод механического замещив&ния. Данный метод является наиболее простим и универсальным, обеспечивающим технологичность процесса ввода армирующей фаза и широкий спектр вводимых упрочнится ей как по составу, гак и по количеству. В плане промышленного использования метод механического замешивания наиболее прч- ' алекателен, так как может быть совмещен с обычным литьем.

На основе анализа литературных данных использование дисперсных порошков и продуктов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для получения литых композитов является принципиально новым направлением в создании новых материалов, обладающих заданными размерами упрочняющих фаз, которые равномерно распределены по объему матрицы, и способных оказывать сильное модифицирующее воздействие на структуру алюминия и сплавов на его основе.

Рассмотрено влияние некоторых типов дисперсной армирующей £аэы на основные свойства композитов о металличеокой матрицей на основе алюминия. Приведены некоторые области применения литых композитов.

На основании проведенного анализа поставлена цель работы и сформулированы задачи исследований.

Во второй главе приведены описания методик, рассмотрены методы исследований, используемые в работе. Представлены сведения о материалах, применявшихся при исследованиях.

В качестве основных методов исследований применялись:

- термический анализ для построения кривых охлаждения литых композитов;

- дифференциальный термический анализ для. определения температуры критических точек исследуемого материала, интенсивности процессов, сопровождаемых эндо- и экзотермическими эффектами;

- металлографический анализ;

- механические испытания для оценки влияния диоперсной армирующей фазы на механические свойства;

- рентгеноструктурный фазовый анализ для определения фазового состава литых композиционных материалов и продуктов реакции при возможном химическом взаимодействии компонентов композита; рентгеноспектральный микроанализ для определения элементов и количества этих элементов, присутствующих в выбранном зондом микрообъеме;

-методика определения температурного коэффициента линейного расширения;

- испытания композитов на трение и износ;

- методика измерения жидкотекучести;

- методы математической обработки результатов экспериментов.

Дано опиоание установки для получения 'литых композиционных

материалов методом механического замешивания.

Третья глава посвящена изучению ЛКМ с матрицей из заэвтекти-чеокого алюминиевого сплава КС 740 и армирующей фазой из дисперсных частиц серебристого графита.

Рассмотрены механическая, термодинамическая и кинетическая совместимость компонентов в композиционном материале, а также факторы, влияющие на жидкофазное и твердофазное взаимодействие между армирующей фазой и матричным материалом в композите.

Дано обоснование выбора матричного сплава и армирующей фазы. Целесообразность применения алюмокремниевого сплава КС 7'Ю обусловлена низкой температурой плавления, удовлетворительной смачиваемостью армирующей фазы расплавом, что обеспечивает низкую температуру процесса получения ЛКМ и дает возможность использовать имеющееся стандартное оборудование в технологических процессах получения композитов. Низкая стоимооть, техноло-

- С -

Выражение (I) имеет бесконечное множество решений в зависимости от граничных условий. Приведены расчеты ряда технологических параметров получения литого композита, исходя из уравнения (I,), с учетом некоторых допущений.

Выведена формула определения критической скорости замешивания армирующей фазы с учетом поверхностного натяжения lia границе частица - расплав и вязкости матричного расплива:

""" 3 5Г % сГ4 (-ЗТ1 d¿)¿+¿ W 6" S (1 -соя fcO

i; . _ ~ ' (З)

Ч

При использовании в качестве армирующей фазы дисперсных частиц с диаметром менее 100 мкм не исключена возможность образования конгломератов частиц, не пропитанных матричным расплавом. Расчет необходимого давления пропитки конгломератов с учетом поверхностного натяжения на границе твердая частица - жидкий металл и вязкости матрицы имеет вид:

д.66 в- d (4-eos©)+/4,5 г £ Í3)

р ■=

d<

В процессе технологической выдержки, по окончании замешивания дисперсной армирующей фазы частицы под действием градиента плотностей между частицами и матрицей стремятся опуститься на дно (при^г>^м ) или всплыть ф С чрм ). Одновременно с процессом седиментации происходит и процесс конглочерировзния армирующей фазы. Основой для расчета седиментацияпноЯ устойчивости литейной композиции послужил закон Сгокса:

<8 I

Расчет седиментационной устойчивости дал возможность определить время технологической выдержки с момента перемешивания литого композита до разливки его в форму, не доп}екая расслоения композиции. Расчетная скорость всплывания графитовой часкщы диаметром 63 мкм в расплаве заовтектического алюмокремниевого сплава КС 7ЭД составляет 0,38 мм/с.

гичность при получении композита, химическая стабильность, возможность получения хороших трябологических свойств предопределили применении ь качестве ирмирующей фаза дисперсных частиц кристаллического оеребристого графита.

В работе рассмотрены вопросы выбора оптимальных технологических режимов получения композиционных материалов с дисперсной армирующей фазой методами механического замешивания. Основой для расчетов послужило уравнение получения литых композиционных маге"-~" риалов методом механического замешивания, представляющее собой выражение, где в левой части представлены воздействия, способствующие образованию композита, а в правой части-воздействия, препятствующие этому. К активным составляющим можно отнести силы, возникающие при перемешивании расплава, а также силы воздействия 1 т расплав, возникающие при приложении внешнего давления. К реактивным составляющим в процессе получения литейных композиций от-шеят: силы поверхностного натяжения, химико-адсорбционное воздействие на поверхности, раздела фаз, наличие оксидной пленки. С (елью повышения точности и полноты описания протекающих процес-юв при получении литых композитов оыли введены также факторы, читывающие седименгационные явления в композите и вязкость рас-шава матрицы.

Дифференциальное уравнение получения литых композиционных ма-ериалов методом механического замешивания имеет вид:

(1> ■

де ия - масса частицы; Р - внешнее давление; V- объем кон-ломерата; & - коэффициент поверхностного натяжения между рас-павом и твердой частицей; В ~ краевой угол смачивания; 5 -эверхноегь контакта фаз;^Л,> - химический потенциал; гг^ц- избы-эк вещества на поверхности раздела фаз; <50п- прочность оксид-эй пленки; К - толщина оксидной пленки; - объем частицы;

- ускорение свободного падения; - плотность частиц;-ютность матричного сплава; £ - путь чаезчщы в расплаве; -1йффициент динамической вязкости; сС- диаметр частиц; -;орость частиц.

Приведено описание технологии получения ЛКМ непосредственно методом механического замешивания. Однако данная технология позволяет получить композит с достаточно равномерным распределением частиц сереористого графита при содержании армирующей фазы до Ц%. При увеличении содержания.частиц графита образуются конгломераты. Качественные ЛНМ позволяет получать метод лигатур. Суть технологии в том, что методом механического замешивания получают лигатуру с большим содержанием армирующей фазы (до 20,"?), которую затем подвергает литью с кристаллизацией под давлением. Обработка давлением композиционной лигатуры содействует проникновению матричного расплава в конгломераты и получению плотного контакта между фазами. Затем лигатуру подвергают вторичному переплаву и получают литой композит с требуемой концентрацией армирующей фазы, которая достигается разбавлением лигатуры матричным материалом. Перемешивание композита способствует распаду пропитанных конгломератов на отдельные частицы и получению равномерного распределения частиц серебристого графита в объеме матрицы.

Введение диоперсных частиц серебристого графита' оказывает существенное воздействие на продолжительность затвердевания литых композиционных материалов. Причем введение 20 мао.% частиц графита размером 50-63 мкм сокращает продолжительность затвердевания литейной композиции на 27/*'.

Дифференциальный термический анализ литых композитов алюминиевый сплав - графитовые частицы выявил смещение критических точек ликвидус и солидуо матрицы ЛКМ по сравнению с критическими точками, определенными для чистого матричного сплава. По сравнен или с чистым сплавом КС 7ВД в композиции КС 7ВД + 20# серебристого графита повииение температуры ликвидуса составило 14,5сС, а оолидуоа 6°С. Данное явление обусловлено тем, что частицы графита являются подложкой для кристаллизации кремниевой фазы, что способствует выделения первичного кремния при более высокой температуре.

Анализ микроструктуры показал, что выделения, кремниевой фазы расположены вблизи частиц оеребриотого графита и дейотзио графитовых частиц подобно действию модификатора'. По мере увеличения содержания в композите частиц серебристого графита наблвдаегоя

уменьшение размеров кристаллов первичного кремния и отмечена тенденция к уменьшению размеров кремниевой составляющей эвтектики. В целом структура композитов оплав КС 740 - серебристый графит характеризуется четкой границей раздела фаз, плотной адгезионной связью между дисперсной фазой и матрицей.

Механические испытания ЛКМ показали, что прочность композита снижается по мере увеличения содержания серебристого графита. Например, при введении 5 мае.7? графитовых частиц предел прочности снижается со 180 МПа для сплава КС 740 до 140 МПа. Однако прочность композита можно повысить, подвергнув его прокатке, экструзии или другим методам упрочнения.

Наибольшего применения композита КС 740 - графит следует ожидать в узлах тренич в качестве антифрикционного материала. Износостойкость ЛКМ на основе сплава КС 740 с частицами графита выше, чем у сплава КС 740. Причиной хороших трибологичеоких свойств ЛКМ системы алюминиевый сплав - графитовые частицы является эффект самоомазывания, заключающийся в том, что дисперсные частицы серебристого графита образуют тонкую сплошную пленку.

Установлено, что температурный коэффициент линейного расширения (TKJIP) литейных композиций на основе сплава КС 740 монотонно уменьшается с увеличением концентрации дисперсной армирующей фазы и при введении 20 глас.^ графита в матрицу ТКЛР композита.на 1% ниже, чем матричного сплава КС 740.Коэффициент трения композите с. 10 мае.# частиц серебристого графита снижается в два раза по сравнению со сплавом КС 740.

Выявлено, что жидкотекучесть литейных композиций сплав КС 740 ~ графит с увеличением содержания дисперсной армирующей фаьы уменьшается, однако композиты с содержанием частиц серебристого графита до 10 иао.% обладают удовлетворительной лндко-текучеотью. Основной причиной снижения кидкотекучести композиций является увеличение аффективной вязкости ввиду присутствия взвешенных твердых частиц в расплаве.

Совокупность полученных результатов позволяет сделать вывод, что ЛКМ КС 740 ~ серебристый графит не просто механическая смесь различных компонентов, а представляют собой материалы со сложным взаимодействием фаз композита.

- и -

Алюмографитовые композиционные материалы нашли применение в качестве деталей узлов трения. Изготовленные из данного литого композита втулки, поршни, наряду о малым термическим расширением, высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения, обеспечивают работоспособность узла в экстремальных условиях (например, при кратковременном отсутствии смазки), в то время . как традиционные материалы склонны к схватыванию и задирам.

В четвертой главе представлены результаты исследований по разработке технологии, состава и свойств алтаотитануглеродных композиционны^ матер1алоэ. Данное оочетание обусловлено невозможностью ввести мелкодисперсный углерод методом механического замешивания в алюминиевую матрицу. С учетом того обстоятельства, что расплав металла хорошо смачивает частицы другого твердого металла, сило предложено использовать титан в качестве транспортного материала для углерода. Рассмотрены особенности получения композиционных материалов на основе алюминия с дойавками титана и углерода.

Сущность технологии получения алюмотитануглеродных композитов в следующем:'

- технический углерод в виде сижи смешивали с пороиком химического титана;

- полученную смесь прессовали в брикет;

- данный брикет вводили в расплав матрицы;

- периодически производили перемешивание расплава;

- по окончании времени выдержки композит разливали в форму.

Как показали исследования,оптимальным было содержание в ком-

юзите 10/» титана, а соотношение титана к углероду 5:1.

Температура ввода орикетов (Ti. + С ) варьировалась от 750 до Ю0°С, а длительность выдержки от 5 до 120 минут о целью изу-[ения влияния этих факторов на структуру и свойства композиционного материала.

На термограммах, полученных при различных температурах ввода рикета, отмечено повышение температуры расплава в процессе изо-ермической выдержки. Выделение теплоты обусловлено протеканием имических реакций между расплавом и брикетом, а ее количество -олнотой протекания реакций. По мере повышения температуры ввода рикета в расплав наблюдается ускорение начала процесса взаимо-

действия алюминия с брикетом и увеличивается количество теплоты,, выделяемой в-результате взаимодействия.

Анализ структуры композиционных материалов алюминий - титан -углерод выявил наличие большого количества неметаллических включений, размеры которых в основном от 5 до 50 мкм, равномерно распределенных во всем объеме матричного сплава. Средний размер частиц интерметаллидов составил примерно 10 мкм. По мере увеличения температуры ввода брикета увеличивается количество дисперсных частиц интерметаллидов (с 2,2,Ю/| 1/см^ при температуре ввода брикета 750°С до З.'гЮ** 1/см2 при температуре вьода ори-кета 900°С), при этом средний размер включений уменьшается (с 32 мкм при температуре ввода брикета 750°С до 10 мкм при температуре ввода брикета 900°С). С увеличением времени выдержки литого композиционного материала алюминий - титан - углерод наблюдается некоторое укрупнение интерметаллидных частиц и уменьшение их числа при увеличении объема, занимаемого частицами. Отмечено, что объем, занимаемый неметаллическими включениями, примерно е 2,5 раза превышает объем вводимой смеси титана и углерода.

Методом качественного рентгеноотруктурного анализа исследови-ли влияние температуры ввода брикета ("П.-» С) и времени выдержки литейной композиции /¡Е-Тс - С на фазовый состав композита. По мере увеличения температуры вводи брикета интенсифицируется процесс образования интерметаллидов. Используя, наряду с рентгено-структурным анализом, микрорентгеноспектральный анализ^устано -вили, что продуктом реакции между алюминием и титаном является алюминид титана При температуре ввода орикета 900 °С на-

ряду с образованием Т1 зафиксировано образование карбида титана Тс С .

В работе предложен механизм образования неметаллических включений алюминида титана и карбида титана. После ввода брикета Т1+С в расплав алюминия начинается взаимная диффузия титана и алюминия, однако доминирующую роль играет диффузия алюминия в титан, благодаря большей растворимости алюминия в титане и высоким, по сравнению с титаном, коэффициентом диффузии атомов алюминия. Не исключается действие механизмов, подобных аффекту РеСиидера, когда твердые металлы теряют прочность, находясь в

- i.3 -

оптанте с жидким металлом. В тех объемах, где достигается пре-ел растворимости алюминия в титане, протекает реакция образована алюминида титана, сопровождающаяся сильным экзотермическим |:фектом. Особенппстьг,' образования пнтерметаллидов Tl-flEj делятся то, что алюмпнид титана возникает на месте твердых частиц пана, минуя жидкую фазу. Наличие ювенильннх поверхностей на :гаяовых частицах, высокая химическая активность дисперсных 1С тип технического углерода, а также локальный разогрев неко->рах объемов металла за счет протекания химической реакции меж' алюминием и титаном способствуют взаимодействию титана с уг~ ¡родом с образованием карбида титана. Данные дифференциального термического анализа говорят о начни трех перегибов. Первый перегиб относится к процессу Плав-ния алюминиевой матрицы и идет с поглощением тепла, второй пг~ гиб обусловлен образованием переходного слоя между алюминием титановыми частицами, а третий перегиб возникает за счет хими-ских реакций, протекающих с сильным экзотермическим эффектом, нный пик образован наложением друг на друга двух реакций обрз-вания Т1МЛ и Т. С •

На ранних отадиях реакции между алюминием и титаном удается фиксировать некоторый переходный слой между компонентами ком-)ита. Рирнна его колеблется от нескольких микрометров до -20 мкм. Иикротвердость переходного слоя составляет 300 , :о время как матрицы 120 Иj," . частиц титана 120-130 Н]! , а 'ерметаллидов от 360 до 500 .

Изучено влияние добавок титана на механические свойства ком-ита. Оптимальный уровень свойств достигается при вводе 8-10 fJ анозого порошка. Пластичность композитов с увеличением содер-ия в нем армирующей фазы уменьшается. Твердооть композита по-ается пропорционально количеству введенного титанового пока. TKJIP композита Ж- I0/JTL - 2% С на 11% меньше, чем ке характеристика для технически чистого алюминия, йзнооо-йкость композита алюминий - титан - углерод растет по мере учения содержания ирмирующея фазы, а коэффициент трения шго литого композиционного материала на 38% меньше, чем у эичного материала.

- к -

Определена модифицирующая способность литого композита_ со,гпжащего эндогенные включения Модифицированию подвергали доэвтектический (AJ14), эвтектический (АЛ25), эаэвтектический (КС 740) и чистый алюминий (А7). Отмечается значительное улучшение структуры алюмокремниевых силуминов при введении композита в количестве, обеспечивающем получение 0,2$ титана в составе сплава. Модифицирование силуминов и «истого алюминия елямотитануглеродным композиционным материалом способствует повышению характеристик грочности и пластичности.

Композит J\t - I0& Tl - 2%С нашел применение в качестве модификатора алвмокремниевых сплавов, а также в качество материала пресс-форм для полимерных материалов и пластмасс.

. основные вывода

1. Усовершенствован и уточнен расчет технологических параметров получения литых композиционных материалов типа матричный материал - дисперсные частицы твердой фазы. На основании расчетов с учетом вязкости матричного сплава и поверхностного натяжения на границе твердая частица - жидкий металл определены основные параметры получения литых композитов алюмокремниевый сплав

КС 740 - частицы серебристого графита.

2. Разработана технология получения литых композиционных материалов на основе алюминия с различным содержанием армирующей фазы методом механического замешивания.

3. Предложена и опробована технология получения композиционных материалов методом лигатур, позволяющая добиться улучшения усвоения и равномерности распределения дисперсных частиц армирующей фазы.

4. Установлено, что введение частиц серебристого графита сокращает продолжительность затвердевания литейной композиции. Отмечено повышение температур ликвидуса и солидуса матрицы в композите по сравнению с исходным сплавом.

• 5. Структура литых композиционных материалов на основе алюминия с добавками частиц серебристого графита или титана и углерода характеризуется равномерным распределением дисперсной твердой

фазы по всему обгему матрицы и плотной адгезионной связью между

частицами и матричным материалом.

6. Установлено, чти взаимодействие расплава алюминия с твердыми частицами титана приводит к образованию алюминида титана

тие* .

7. Выявлено, что при температуре ввода брикета, содержащего тнган и технический углерод в соотношении 5:1, 900°С>протекает химическая реакция, продуктом которой является образование кар-3ида титана~П. С.

8. Н;. ..ллические включения, идентифицированные как алюми-1ид титана и карбид титана, имеют округлую форму и размеры от 5 10 50 мкм. Содержание интерметаллидных соединений з композици-шном материале, после протекания реакций между алюминием и ти-•аном и титаном и углеродом, примерно в 2,5 раза превышает вве-енное количество твердой фазы.

9. Предложен механизм, описывающий взаимодействие между ком-онентами в литом композиционном материале на основе алюминия с обавками титана и углерода.

10. Установлено, что при содержании армирующей твердой фазы литых композитах свыше 10% наблюдается потеря жидко текучести.

11. лсиледовано влияние добавок частиц оеребристого графита, также титана и углерода на прочностные свойства композицион-)х материалов. Введение серебристого графита приводит к снижено прочности композита до 30$, при содержании графита 20$. Ар-фование титаном повышает прочность композита на 24%, а твер-ють возрастает более чем в два раза.

12. Проведены испытания литых композитов на износостойкость, и введении армирующей фазы в виде частиц серебристого графита иосостойкость сплава КС 740 повышается в 2,5 раза, а коэффици-т трения снижается в 2 газа. Добавка в алюминиевую матрицу тина и углерода способствует повышению износостойкости композита имерко на порядок, а коэффициент трения снижается на 385?.

13. Выявлено влияние армирующей твердой фазы на коэффициент 1ейного термического расширения. Данный коэффициент снижается эпорционэльно количеству введенного серебристого графита или гана.

Выявлено модифицирующее действие литых композиционных ма-малов алюминий - серебристый графит, алюминий - титан - угле-

— 1С -

род в процессе кристаллизации алюмокремнневых литейных сплавов, в результате которого наблюдается кардинальное улучшение структуры. Модифицирование композиционным материалом Ж- IO^TL ~2',гС повышает прочность доавтектического сплава АЛ24 на I2&. эвтектического сплава АЛ25 на заэвтектичеокого сплава КС 740 на 17,8%. При этом пластичность силуминов повышается в среднем ь 1,5 раза.

15. Результаты исследований внедрены во Владимирском институте механики, технологии и материалов. Экономический эффект от использования литых композиционных материалов алюминий - серебристый графит, алюминий - титан - углерод составил 36,82 тысячи рублей в год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.:

1. Панфилов A.B., Гаврилин И.В., Ьаландин В.М. Свойства литейных алюминиевых сплавов с дисперсными добавками графита// Прогрессивные методы получения отливок: Тезисы докладов научно-технической конференции. ЬЫкний Новгород, 1989. C.5Ö-59.

2. Панфилов A.B., Гаврилин И.В., Баландин В.М. Модифицирование литейных алюминиевых сплавов тугоплавкими дисперсными частн-цами//Улучшение качества отливок, повышение производительности труда, экономика литейного производства на предприятиях Владимирской области: Тезисы докладов научно-технического семинара. Владимир, 1989. С.24-26.

3. Баландин В.М. Влияние диоперсных частиц графита на процесс кристаллизации и структуру литых композиционных материалов 'алюминий - гра$ит//Улучшение качества отливок, повышение производительности труда, экономика литейного производства на предприятиях Владимирской области: Тезисы докладов научно-технического семинара. Владимирj, 1589. С.26-28.

4. Баландин В.М., Панфилов A.B., Гаврилин И.В. Свойства литейных алюминиевых сплавов с дисперсными частицами графита// Новые прогрессивные технологические процессы и оборудование в литейном производства, направленные на повышение качества лигъя: Тезисы докладов научно-технической конференции молодых специалистов. Владимир, 1939. С.32-34.

5. Баландин В.М. Исследование.модифицирующей способности композиционной лигатуру на алютетитачовой оонове//Прочность, пластичность материалов и новые процессу их получения и обработки: Тезисы докладов научно-технической конференции. Минск, 1990.

С.66-67.

6. Баландин В.М. Композиционный материал системы алюминий -графит: Кристаллизация и структура//Ирочность, пластичность материалов и новые процессы их получения и обработки': Тезисы докладов научно-технической конференции. Минск, 1990. С.90.

7. Баландин В.М. Изменение структуры и свойств алюминиевого сплава при введении в него дисперсных частиц графита//Конструк-ционная прочность, долговечность, упрочнение материалов и деталей машин: Тезисы докладов межреспубликанской научно-технической конференции. Волгоград, 1990. С.32-33.

О. Гаврилин Ii.В., Панфилов A.B., Баландин В.М. Особенности затвердевания литых композиционных материалов системы "алюминий - графит"//Литейное производство. - 1990, № б. - C-9-I0.

9. Баландин В.М. Композиционные лигатуры для литейных алюминиевых оплавов//Повкиение качества и экономичности литейных процессов: Тезисы докладов П республиканской научно-технической конференции. Одесса, 1990. С.41.

Подписано в печать 05.03.92. Формат. 60x34/16. Бумага для множительной техники. Печать офсетная. Усл.печ.л. 0,93. Усл.кр.-отт. 0,УЗ. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж ЛЮ экз. иакБесплатно. Московский автомеханический институт. 105о39- Москва, Б.Семеновская ул., 39. Ротапринт Владимирского политехнического института, би00<:б Владимир, ул.Горького, бг7.