автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Исследование закономерностей формирования структуры и свойств алюминевых порошковых композиционных материалов (ПАКМ) с дискретным наполнителем системы Al/SiC, разработка опытной технологии изготовления прессованных полуфабрикатов из ПАКМ

ВСЕРОССИЙСКИЙ ИНСТИТУТ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ

На правах рукописи Для служебного пользования экз. и и о 1 <;

ТРУБКИНА Елена Михайловна

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ АЛЮМИНИЕВЫХ ПОРОШКОВЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (ПАКМ) С ДИСКРЕТНЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ СИСТЕМЫ А1/81С, РАЗРАБОТКА ОПЫТНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРЕССОВАННЫХ ПОЛУФАБРИКТОВ

ИЗ ПАКМ.

Специальность 05.16.06 - «Порошковая металлургия и композиционные

материалы»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2000 г.

Работа выполнена в ОАО «ВИЛС»

Научные руководители : профессор, доктор технических наук Полькин Игорь Степанович

с.к.с., кандидат технических наук

Романова Валентина Сергеевна

Официальные оппоненты: профессор, доктор технических наук Король Владимир Кириллович

(ОАО «ВИЛС») профессор, докюр технических наук Семенов Борис Иванович (МГАГШ)

Ведущее предприяше _ "МАТИ" - Российский Государственный тех-иологмческт университет им. К.Э.Циолковского

Защша диссертации состоится « 2000 г. в Ю часов на заседанш

диссертационного совета Д 141.12.02

в области порошковой металлургии и композиционных материалов в ОАО «ВИЛС» по адресу: Москьа, ул. Горбунова, дом 2. Отзыв на автореферат в одно| экземпляре (заверенный печатью) просим направлять по адресу: 121596, Москва, ул.Горбунова, 2.

Автореферат разослан Ученый секретарь диссертационного Совета

Кандидат технических наук

В.Г.Казаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Социальный и технический прогресс и связанное с ним совершенствование современной техники требуют создания и вовлечения в сферу производства новых материалов с комплексом свойств, существенно превышающим традиционно используемые металлические конструкционные материалы не только по уровню служебных характеристик, но позволяющих уменьшить трудоемкость и энергоемкость производства и переработку в изделие, оздоровить экологию.

Металлические композиционные материалы на основе алюминиевых сплавов, армированных керамическими частицами, представляют собой относительно новый в промышленном производстве класс материалов, свойства которых могут эффективно удовлетворять определенным требованиям конструкторов и считаются перспективными для обеспечения малого веса деталей в сочетании с высокой жесгкосгыо и прочностью, хорошим сопротивлением износу и высокой размерной стабильностью. Возможность использования для изготовления таких материалов стандартных металлургических процессов (порошковая металлургия, литье и др.), а также невысокая стоимость исходных компонентов (промышленные сорта алюминиевых сплавов и коммерчески доступные керамические порошки) делают их серьезными конкурентами традиционным сплавам для применения их в различных отраслях промышленности.

Одним из методов изготовления композитов, достигших промышленного уровня развития за рубежом, является порошковая металлургия. Данный метод по сравнению с литейной технологией имеет более широкие возможности по созданию вариаций композита с целью получения материалов с различным уровнем физико-механических и специальных характеристик, так как практически не имеет ограничений по количеству, морфологии, дисперсности и материалу вводимого наполнителя. Несмотря на большое количество публикаций, появившихся в последние годы, по порошковым композитам указанного класса, практически полностью отсутствуют сведения о технологических характеристиках новых материалов. Кроме того, имеющаяся информация по свойствам АКМ чаще всего касается рассмотрения отдельных аспектов того или иного поведения таких материалов, и не позволяет получить полную информацию, необходимую при практическом использовании в конкретных изделиях.

Цель настоящей работы состояла в исследовании закономерностей получения композиционных материалов на основе алюминиевых сплавов различных систем с дискретным наполнителем, одним из методов порошковой металлургии, разработке технологической схемы и параметров производства прессованных полуфабрикатов, исследовании структуры и свойств порошковых алюминиевых композиционных материалов (ПАКМ) многофункционального

поставленной цели необходимо было решить следующие

назначения.

Для достижения эада'т;.

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

- определить комплекс методов исследований для установления закономерностей по выбору параметров технологических переделов при получении ПАКМ системы АУБЮ;

-разработать опытную технологию изготовления прессованных полуфабрикатов ;

- провести комплексное исследование структуры и свойств ПАКМ;

- определить возможные области применения ПАКМ.

Научная новизна. Разработаны научные основы технологического процесса получения композиционных материалов на основе алюминиевых сплавов различных систем, армированных керамическими частицами, они включают:

- закономерности изменения насыпной массы в зависимости от времени смешивания, соотношения массы шихты и веса размольных тел, а также соотношения массы шихты к объему камеры смесителя; -установление зависимости температуры процесса дегазации от температуры солидус матричного алюминиевого сплава, которая равна: Т дегазации= 0,95 Т 5

- установление зависимости температуры нагрева перед компактированием материала,при которой происходит формирования композитной структуры от температуры солидус композиционного материала, соответствующей наличию небольшого количества легкоплавкой эвтектики в матричном алюминиевом сплаве и равной Т компактирования.= 0,95 Т б пакм;

- установление температуры нагрева перед экструзией компактной заготовки, пр которой материал достигает пика пластических характеристик и равной

Т экструзии=0,95 Т сольвус сплава, соответствующей полному растворению фаз алюминиевом матричном сплаве;

- закономерности изменения механических свойств ПАКМ от размера и массовс доли частиц наполнителя ;

- - закономерности изменения функциональных свойств композита от параметре структуры.

. Практическая ценность.

- Разработана технология получения порошковых алюминиевых сплавов, армированных частицами карбида кремния, и определены оптимальные параметры технологических переделов при изготовлении прессованных полуфабрикатов и опытных изделий из них.

- Разработана технологическая схема для опытно-промышленного производства прессованных полуфабрикатов из ПАКМ производительностью до 100 т/год, создано новое и освоено существующее оборудование. Разработана и выпущена технологическая документация (ТИосв. № 03-234-95, ТУоп. № 1-809-1016-94) н; опытную технологию производства прессованных полуфабрикатов.

- Всестороннее исследование структуры и свойств ПАКМ показало, что введение керамических частиц в алюминиевые сплавы позволяет значительно повысить их модуль Юнга (на 40-80%), износостойкость (в 2-9 раз), прочностны свойства (на 10-30%) при комнатной и повышенных (до 350°С) температурах, размерную стабильность и другие специальные характеристики

- Показано, что алюминиевые композиционные материалы, армированные серийно выпускаемым абразивным порошком карбида кремния, в дальнейшем могут быть обработаны на стандартном металлургическом оборудовании, используемым для производства полуфабрикатов и заготовок из промышленных алюминиевых сплавов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована аналитическими исследованиями, устанавливающими количественные зависимости между параметрами исследуемых процессов и качеством получаемой продукции, сравнением расчетных и экспериментальных данных, комплексом экспериментальных исследований, в том числе на промышленном оборудовании, с применением методов математического планирования экспериментов, построением математических моделей и статистической обработкой полученных данных; результатами механических, технологических и металлографических исследований на современной аппаратуре; результатами внедрения разработанных технологических режимов; выпуском опытных партий полуфабрикатов различного сортамента (прутки диаметром 20... 120 мм; профили; трубы; полосы; катаные плиты и др.) с проверкой качества в условиях Заказчиков; АНТК "Антонов", АОЗТ -Мотор-Композит", ЗиЛ, МАМИ, ОКБ "Салют", ЦКБ "Вымпел", НПО "Композит", АО "Агроживмашгехнология" и французской фирмы "Palladiam".

Апробация работы. Материалы работы доложены на 5 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе на 3 международных.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 3 научно-технических статьях и получен патент № 2147973 RU (приоритет от 23.12.98г.).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит стр. машинописного текста,/^иллюстраций, библиографического списка из ¡2D наименований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Состояние вопроса.

Наличие многочисленных публикаций и патентной литературы по различным вопросам, касающимся АКМ с дискретным наполнителем свидетельствует о всё возрастающем, в последние годы, интересе иностранных специалистов к материалу данного класса.

В главе 1 представлена информация об основных промышленно развитых способах получения композиционных материалов на основе А1 сплавов, армированных дискретным наполнителем. Отмечается, что на данный момент за рубежом промышленного уровня производства достигли следующие способы получения АКМ: порошковая металлургия (фирма "DWA Composites Specialities Inc.", США), литейная технология ( фирма "Duralcan", США) и совместное распыление "Osprey" (фирма "Alcan International Ltd", Великобритания).Дан анализ основных особенностей получения композитов данного класса методом порошковой металлургии, позволяющей создавать более широкую гамму композиций по сравнению с другими способами. Анализ литературных данных показал, что актуальной научно и практической задачей остается поиск

технологических способов управления структурой и свойствами ПАКМ, т.к. известная информация имеет выборочный характер и не дает полного представления о технологических схемах и параметрах процесса.

В обзоре достаточно широко представлены литературные данные по способам производства изделий из АКМ, включающих экструзию, мехобработку, сварку, показывающие, что хотя композиты и могут быть произведены во многом таким же образом, как и традиционные неупрочненные алюминиевые сплавы, существует несколько важных изменений, которые необходимо внести в обычную практику работы с алюминием.

Выявлены основные потенциальные области применения материала (аэрокосмическая и специальная техника, автомобилестроение и спортивная индустрия и др.).

Сформулированы цель работы и задачи, которые необходимо решить для её достижения.

Глава 3. Исследование закономерностей формирования порошковых алюминиевых композиционных материалов системы А1/8Ю с целью оптимизации параметров технологических переделов изготовления прессованных полуфабрикатов из них.

В главе 3 представлены результаты исследований по определению закономерностей формирования порошковых композиционных материалов на основе алюминиевых сплавов различных систем: А1-Си-Мц (Д16 и 01205), А1-Си-(01203), А1-М§-51 (01206), армированных частицами карбида кремния ф'С) дисперсностью 5 мкм в количестве 17. .20 мас.%, позволивших практически точно выбрать параметры технологических переделов при получении ПАКМ и прессованных полуфабрикатов из них в зависимости от химического состава матричного алюминиевого сплава, армированного частицами

На основании выявленных закономерностей обосновываются металловедческие принципы выбора параметров технологии получения прессованных полуфабрикатов из ПАКМ. Выбрана технологическая схема получения полуфабрикатов из ПАКМ, включающая следующие технологические переделы:

- предварительный отжиг на воздухе частиц БЮ;

- механическое смешивание исходных компонентов ПАКМ;

- холодное изостатическое прессование брикетов;

-дегазация и вакуумирование холоднопрессованных брикетов (капсульная технология);

- горячее прессование в глухой штамп (компактирование) с получением ПАКМ;

- механическая обработка компактной заготовки;

- горячее прессование (экструзия) полуфабриката;

-термическая обработка полуфабриката.

С использованием различных методов исследований и математического планирования экспериментов определены оптимальные параметры всех вышеуказанных геммологических переделов. Далее п реле г явлены результаты проведенных исследований.

Операция предварительного отжига частиц ЯЮ предназначена для удаления адсорбированных из воздуха примесей , в первую очередь, влаги, наличие которых на частицах порошка приводило в процессе смешивания к агломерированию и появлению макроскоплений частиц с сохранением их в полуфабрикате, которые представляли собой концентраторы внутренних напряжений, что являлось причиной преждевременного разрушения образцов при механических испытаниях. С использованием методов термодесорбционного и масспектрометрического анализов было проведено исследование кинетики газовыделения (водород, вода и органические примеси) из порошка БЮ в исходном состоянии и после отжига по различным режимам в вакууме и на воздухе с отбором проб по глубине засыпки в поддоне. Отжиг порошка карбида кремния приводит к значительному снижению содержания в нем примесей (влаги, водорода и органических примесей). После отжига в вакууме содержание водорода незначительно ниже, чем после отжига на воздухе, а содержание органических примесей - выше.

В результате данных исследований выбраны оптимальные параметры процесса отжига порошка 51С:

- температура - 600°С;

- продолжительность изотермической выдержки - 5 часов;

- глубина слоя засыпки -< 100 мм;

- среда - воздух.

При получении ПАКМ процесс смешивания является одной из основных технологических операций, влияющих как на уровень, так и на изотропность механических свойств материала.

В главе представлены экспериментальные результаты по выбору типа смесителя (лабораторный баночный смеситель, валковая и вибромельница) и по определению параметров (время, соотношение ра$чольныч гел к смеси и объем засыпки порошков к объему камеры смесителя) процесса смешивания. Для сокращения количества экспериментов при исследовании влияния данных технологических параметров на процесс смешивания был применен метод математического планирования эксперимента. По полученным экспериментальным данным было вычислены коэффициенты уравнения регрессии. После проверки значимости коэффициентов уравнение регрессии имело следующий вид:

У= 2,84+1,28Х, - 0,50Х|Х2+0,74Х2Х,

В результате проведенных исследований были определены оптимальные параметры смешивания в валковой мельнице для ПАКМ состава А1+20 мае.% БЮ:

- время смешивания - 9 часов;

- объем загрузки / объем камеры смесителя - 60%; !

- соотношение размольных тел к шихте - 1/6.

При смешивании на валковой мельнице с объемом камеры 40 л производительность процесса составляла около 3 т/год. С целью увеличения производительности процесса и, в свою очередь, снижения себестоимости производства полуфабрикатов из ПАКМ, в качестве альтернативы была опробована вибрационная мельница.

Модельные эксперименты по выбору времени смешивания при сохраненш прочих параметров проводились на вибромельнице марки МВ-0,005 (У=5л).

Результаты проведенных исследований по оценке зависимости гомогенности смеси (Ур) от времени смешивания на различных типах смесителе представлены на рис. 1.Как следует из рис. I коэффициент вариаций значений насыпной массы полученных смесей на различных типах смесителей является действенным критерием оценки однородности распределения исходных компонентов ПАКМ и может служить экспресс-анализом при оптимизации технологических параметров процесса при переходе на другой тип оборудования и состав ПАКМ.

Таким образом, в результате проведенных экспериментов и с помощью метода математического планирования эксперимента оптимизированы параметр] процесса смешивания на различных типах смесителей. Установлено, что при использовании вибросмесителя (У=400 л) достигается увеличение производительности процесса на 95% при сохранении параметров смешивания н валковой мельнице (У=40 л):

- время смешивания - 9 часов;

- объем загрузки к объему камеры - 60%;

- соотношение размольных тел к шихте - 1/6.

Предварительное холодное прессование является подготовительным этапом, который предназначен для облегчения последующих операций уплотнения и формирования материала. Известно, что свойства конечного полуфабриката не имеют прямой зависимости от плотности порошкового брикет т.к. будут снивелированы при горячей пластической деформации материала. Тем не менее, плотность холоднопрессованного брикета влияет на способ и экономш последующих операций, в частности, дегазации. В главе представлены результат исследований кинетики газовыделения в материале как в виде порошковой смеа так и холоднопрессованном брикете, полученном по различным режимам холодного изостатического прессования (ХИП). Установлено, что ХИП позволяе получить холоднопрессованные брикеты с относительной плотностью 75-80%, увеличить на~30% выход годного на полуфабрикате.

Критериями выбора параметров ХИП являлись следующие факторы:

- качество брикета, т.е. возможность его дальнейшей транспортировки для проведения дегазации (отсутствие расслоений и трещин);

- интенсивность газовыделения при нагреве в вакууме холоднопрессованного брикета.

Модельный эксперимент показал, что наиболее качественные брикеты получаются в диапазоне давлений ХИП 250 . .300 МРа. Сопоставление результат анализа кинетики выделения IЬО и IN при нагреве брикетов в вакууме позволил определить оптимальное давление ХИП равное 250 МРа. Время выдержки под давлением напрямую записиI от массы брикетов и варьируется «I I до 10 мин.

Продолжительность смешивания, час

Рис.1. Кинетика процесса смешивания

• лабораторный смеситель (т загрузки - 2,5 кг) ■ валковая мелница \/=40 л (т загрузки - 24 кг) д вибромельница \/=5 л (т загрузки - 2,5 кг)

• вибромельница \/=400 л (т загрузки - 240 кг)

ю

С целью оптимизации параметров и схемы процесса дегазации порошковые брикетов из ПАКМ было проведено исследование по влиянию параметров процесса на газосодержание, однородность и уровень механических свойств прессованных прутков.

Полученные распылением в азоте алюминиевые порошки имеют сравнительно высокое газосодержание (42...46 смVIООг), что определяется во-первых, развитой поверхностью частиц (0,8...0,95 м2/г) осуществляющей естественный процесс сорбции газов, а во-вторых, явлением хемосорбции влаги окисной пленкой, покрывающей каждую алюминиевую порошинку и поверхност частиц БЮ. Если физически адсорбированная влага и газы с теплотой адсорбции 0,3...0,6 кал/моль легко удаляются с поверхности при низких температурах до 100°С, то хемосорбированная влага требует более высоких температур дегазации

На основании результатов термодесорбционного анализа выбраны температурные интервалы процесса дегазации ПАКМ на основе алюминиевых сплавов Д16 (система Al-C»-Mg) и 01206 (система А1-Си-Мц-80, армированных 2 мас.% БЮ, в диапазоне температур 490...510°С и 540...570°С, соответственно.

Результаты экспериментов, проведенных на образцах ПАКМ массой около кг, представлены в шблипе 1.

Как следует из таблицы максимальный уровень механических свойств и минимальное газосодержание показали материалы, прошедшие дегазацию при температурах:

- Т2=510°С, т=4 час. для ПАКМ Д16+20 мас.% БЮ;

-Т2=570°С, т=4 час. для ПАКМ 01206+20 мас.%

Для холоднопрессованных брикетов массой около 2 кг выбраны следующи! режимы и схема дегазации:

1 ступень - удаление влаги при Т=350°С, т= 8 час.;

2 ступень - удаление водорода при Т=0,95 Тв сплава, т=4 часа.

Среда - вакуум с остаточным давлением Ю"2... Ю"1 мм.рт.ст.

Для порошковых брикетов массой около 100 кг режимы и схема процесса дегазации были скорректированы с учетом масштабного фактора. Как было указано выше холоднопрессованный брикет имел относительную плотность

шилпца 1

Зависимость однородности и уровня механических свойств, газосодержания горячепрессованных прутков из ПАКМ от параметров процесса дегазации (капсулы 0 92 мм, масса 2 кг)__

Состав ПАКМ

Параметры дегазации Температура, Время °С изотер.

выдержки, час

Содержание Н: см7Ю0г

_Однородность и уровень механических свойств

о„„Мра Уст», % Сто.'. Мра Уст0.;, % 5,

\'5, °0

Д16+20% БЮ

Т,=350 Т2=490 Т,=350 Т2=500 Т,=350 Т2=500 Т,=350 Т2=510

2,0-2,4 1,8-2,5 0,8 - I.5 0,5 - 0,6

518 552 554 562

8,0 6,0 3,0 2,5

459 465 495 510

7,5 5,2 2,4 ? 1

3,3 2,7

2,9 3,6

25,4

18.3

12.4

10.5

01206+20% БЮ

Т!=350 Т2=540 Т,=350 Т2=540 Т|=350 Т2=540 Т!=350 Т2=570

1,5 -3.0 0,9 0.8 0,35-0.6

389 431 464 483

6,0 4,0 3,0 2,9

294 351 361 418

5,2 4,8 2,5 2,0

6,4 3,2 3,6 4,8

30,3 21,6 15,6 11,3

75...80%. На основании этого фактора была принята ступенчатая схема дегазации в токе инертного газа, с целью интенсификации процесса газовыделения, начиная с температуры 300°С до 450°С потому, что в этом интервале температур выделяется в основном десорбированная влага и частично водород, как продуют химической реакции, причем, наибольшая доля по объему выделяющихся паров \ газов. Образующееся в порах давление за счет выделения Н2О и Н2 начинает разрывать межчастичные контакты, образуя капиллярные контакты сквозной пористости из центральных слоев брикета до его поверхности. По этим образовавшимся каналам, под давлением, десорбированные газы и пары выходят наружу из брикета и уносятся током инертного газа. Если температуру нагрева холоднопрессованного брикета вывести сразу на последний этап (Тб сплава), то может произойти растрескивание брикета за счет бурного выделения газов. Капиллярный процесс выделения газов не справится с этим интенсивным газовыделением. Образовавшаяся капиллярная сквозная пористость при нагреве до температуры >350°С является основной транспортной магистралью для выхода десорбированных паров и газов. Направленность движения газов и паров периферии определяется градиентом давления в капиллярах и давлением в газовой полос!и крмстичной капсулы - ИГ1. .10'' мм.рксг. и 5... К) мм.рт.ст. , соответст веипо.

Таким образом, для дегазации брикетов массой около 100 кг принята следующая схема процесса де1 амнии:

- 1 ступень - Т-300...450°С, длительность 20 часов с промывкой в инертно\ газе со скоростью 0,5... I л/мин.;

- 2 ступень - Т-450°С, изотермическая выдержка - 5 часов, создание вакуума;

- 3 ступень - Т=0,95 Тб спл., изотермическая выдержка - 5...8 часов, остаточное давление вакуума I О"2... 10"3 мм.рт.ст.

Данная схема процесса прошла апробацию, результаты эксперимента приведены в таблице 2.

Как следует из таблицы однородность и уровень механических свойств, а также газосодержание крупногабаритных полуфабрикатов из ПАКМ после 'проведения дегазации по выбранным режимам и схеме имеют удовлетворительные значения.

Операция горячего прессования с получением компактной заготовки (компактирование) играет главенствующую роль во всей технологической схеме процесса получения ПАКМ. Именно в процессе горячего компактирования происходит формирование композитной структуры - образуется связь между матрицей и наполнителем. Насколько прочной будет эта связь, настолько реализуется влияние свойств керамических частиц на свойства композита.

Однородность и уровень механических свойств, газосодержание крупногабаритных прессованных полуфабрикатов из ПАКМ состава ДIб+БЮ (капсула 0 290 мм, масса более 100 кг)

Содержанке Б!С, мае. % Сортамент п/ф и степень вытяжки при экструзии (X) Содержание Н2, см5/100г а„. Мра Однородность и уровень механических свойств \'о». % а,:, Мра % 5,% 1 ! 1 У5, %

15 Пруток 0 90мм 0,12-0,67 538 3,5 385 2,7 4,2 22,6

(12)

17 Полоса сечени- 0,24 - 0,9 510 4,7 379 2,6 3,8 22,6

ем 20x250 мм

(15)

20 Пруток 0 60мм 0,47 - 0,49 540 5,2 435 3,0 2,5 9,4

(13)

В главе представлены результаты исследований и модельных экспериментов по выбору оптимальной схемы получения компактных заготовок из ПАКМ и температурно-деформационных параметров компактирования. Рассмотрены три схемы компактирования:

-1 схема: горячее вакуумное прессование (ГВГ1) с дегазацией брикетов в прессе (безкапсульная технология);

- 2 схема: горячее прессование в глухой штамп (ГП) капсул с предварительно вакуумированным брикетом (капсульная технология);

- 3 схема: ГП с получением компактной заготовки и последующим горячим изостатическим прессованием.

Объектом исследований по оптимизации схемы компактирования являлся ПАКМ состава Д16+20 мас.% БЮ. Анализ структуры и механических свойств компактных заготовок показал:

- в условиях отсутствия сдвиговых деформаций ни одна схема не обеспечивает гомогенною (на мнкроуровне) распределения частиц в объеме магричпою алюминиевого сплава;

- продел прочное!и компактных ¡агоювок, полученных по ра¡личным схемам, имел довольно высокий уронен». - 350 . 390 МРа (горячепрессоваиное состояние);

- самое высокое значение относительною удлинения (4,7°о) достигнуто на компактных заготовках, полученных по 3 схеме.

Таким образом, применительно к существующему оборудованию, а также с учетом необходимости промышленного освоения производства полуфабрикатов из ПАКМ можно рекомендовать вторую схему горячего компактирования (горячее прессование в глухой штамп) с использованием промышленно освоенного прессового оборудования.

С использованием методов калориметрического анализа образцов из ПАК1\ и матричных алюминиевых сплавов установлены закономерности влияния температуры фазовых превращений, происходящих при нагреве материалов, на температурные режимы процесса горячей деформации.

Основываясь на данных калориметрического анализа для оптимизации температурных параметров горячей деформации (компактирование и экструзия) были выбраны следующие температурные интервалы:

1. Для состава 01205 (А1-Си-Мё)+20 мас.% БЮ:

-горячее компактирование - 500...520°С (наличие небольшого количества легкоплавкой эвтектики);

-экструзия - 480...500°С (полное растворение фаз).

2. Для состава 01206 (А1-Си^-80+20 мас.% БЮ (по аналогии с предыдущим составом ПАКМ):

-горячее компактирование - 560...600°С; -экструзия-480...520°С.

Выпор юмперлтурныл параметров компактирования и экструзии ПАКМ в установленных температурных интервалах фа давых превращений, проводили на основании ре!\'лматов механических испытании прессованных прутков в термообрабоганном состоянии (табл. 3).

Таблица 3

Влияние температурных параметров горячей деформации па уровень механических свойств горячепрессованных прутков из различных материалов (состояние -т/о)

Температура нагрева

Материал перед Механические

свойства

компакти- экструзией, ст„,Мра ,Мра 5,%

рованием, °С

°С

01205 520 480 500 350 16,6

Гз=515°С)

1205+20%51С 520 480 530 442 2,4

Гз=520°С) 500 480 483 398 1,2

520 500 493 434 1,9

01206 560 520 430 360 8,1

Г8=570°С)

1206+20%Б|С 560 520 483 420 4,9

Г5~587°С) 580 520 504 430 2,0

600 520 470 404 1,4

580 480 494 431 4,5

На основании проведенных экспериментов и исследований установлено, что оптимальными температурными параметрами горячей деформации ПАКМ, обеспечивающими максимальный прирост прочностных характеристики относительно высокую пластичность являются:

- температура нагрева перед компактированием равна Т=0,95 Тб пакм;

- температура нагрева перед экструзией равна Т=0,95 Тсольвус матричного сплава, соответствующей полному растворению фаз.

Полученные закономерности приводят к выводу, что использование в качестве «экспресс-анализа» результатов калориметрических исследований материалов на стадии порошковой смеси, позволяет практически точно выбирать температурные параметры горячей деформации (компактирования и экструзии) ПАКМ на основе алюминиевых сплавов различного химического состава.

С целью оптимизации деформационных параметров горячего компактирования (давление и время выдержки под давлением) проводился модельный эксперимент на брикетах массой около 2 кг. Давление

компактирования и время выдержки варьировались в диапазоне 400..,800 МРа и 0,5...20 мин., соответственно. Объектом модельного эксперимента служили образцы из ПАКМ на основе А1 спл. Д16, армированного 17 мас.% БЮ. Критериями по выбору оптимальных деформационных параметров компактирования являлись результаты механических свойств и замер плотности компактных заготовок в горячепрессованном состоянии. В результате экспериментов установлено, что варьирование деформационными параметрами компактирования существенно не сказывается на изменении уровня механических свойств, но наибольшая однородность физико-механических свойств (Уст„=3% и Ур=0,7%) имела компактная заготовка изготовленная при значениях Р=800 МРа и т=2 мин.

Учитывая масштабный фактор, при переходе на изготовление компактной заготовки массой около 100 кг, было предложено вычислить значения времени выдержки под давлением из соотношения:

Рнш

т 1,10 =..........И) (3.1)

1;2

где - илошадь сечения компакт ной заготовки массой >100 кг: 1:2 - площадь сечения компакт ной заготовки массой >2 кг; 12 - оптимальное время выдержки под давлением при изготовлении компактной заготовки массой >2 кг.

Справедливость данного соотношения нашло свое подтверждение в ходе последующих экспериментов при изготовлении компактной заготовки массой около 100 кг.

Таким образом, оптимальные температурно-деформационные параметры для изготовления компактной заготовки массой >100 кг выбраны следующие:

- температура нагрева перед компактированием ровна Т=0,95 ПАКМ;

-давление компактирования - 700...800 МРа;

- время выдержки под давлением - 20 млн.;

-температура контейнера пресса - максимально создаваемое на конкретном прессе, но не более Тб пакм.

На стадии разработки технологии после проведения многочисленных экспериментов при изготовлении полуфабрикатов из компактных заготовок массой около 2 кг было предложено ввести операцию обточки-удаления материала капсулы с одного торца и по образующей на всей длине компактной заготовки в связи с попаданием материала капсулы в полуфабрикат со стороны утяжинного конца и неравномерном распределении плакирующего слоя по длине полуфабриката. Введение данной операции в технологическую схему позволило:

- распределить равномерно и регламентированно плакирующий слой по всей длине полуфабриката на глубине не более 300 мкм;

- исключить попадание материала капсулы в полуфабрикат;

- улучшить однородность механических свойств полуфабрикатов за счет равномерности распределения деформационных напряжений;

- повыешь па -30йо выход Iодною на полуфабрикат.

/в

Срашипе.тьные данные но однородности механических свойств после фоведсния с кн ис шческой обрабоIки резудыатов механических испытаний шразцов вырешиша но длине ( X мегрон) крупиогабарш ного полуфабриката фиведеиы в таблице

Таблица 4.

Зависимость однородности механических свойств крупногабаритных юлуфабрикатов от введения операции механической обработки компактной аготовки.

Гортамент Схема обточки Однородность механических свойств

юлуфабриката КЗ. Уа„, % Уст„,2,% У5,%

1олоса сечением Удаление одного 4,7 5,3 35,6

20x250 мм торца К З.

юстава ПАКМ

Пб+ПГоБЮ Удаление одного

торца +- 4,7 2,6 22,6

проточка по

образующей

Как следует из таблицы введение данной операции в технологическую хему позволило существенно улучшить однородность механических свойств фессованных полуфабрикатов из ПАКМ.

Для достижения максимальной прочности соединения порошковых частиц, юмимо высокого давления уплотнения, температуры и времени выдержки под явлением, необходимо создать определенные касательные напряжения, которые фивели бы к разрушению окисных пленок на поверхности порошковых частиц дюминиевого сплава и обеспечили необходимые условия для схватывания частиц 1люминия и керамики. Для изготовления полуфабриката из ПАКМ с оптимальными свойствами, необходим такой технологический процесс, который:

- отличается простотой в реализации;

- дает возможность создавать необходимые деформации сдвига в широких [ределах;

-позволяет совмещать процессы обновления поверхности частиц и их оединения в процессе выдавливания.

По литературным данным известно, что прессование полуфабрикатов из 1АКМ способом выдавливания через плоскую матрицу связано с [еобходимостью использования больших степеней деформации, а это влечет за обой низкую стойкость инструмента, но обеспечивает максимальные асательные напряжения в экструдируемой заготовке, что обеспечивает (аксимальное соединение порошковых частиц и удовлетворительную инородность свойств в продольном и поперечном направлениях. Также данный пособ позволяет использовать пресс-оснастку, традиционно применяемую для ¡рессования алюминиевых сплавов на горизонтальных гидравлических прессах.

В главе представлены результаты исследований по оптимизации емпературно-деформационных параметров прессования полуфабрикатов из

ПАКМ и их влиянию на свойства и структуру полуфабрикатов. Определены теоретические и практические подходы к решению данной задачи. Результаты пластометрических исследований при скорости деформации <р= 0,06 с"1, соответствующей скорости процесса экструзии, представлены на рис. 2,3,4.

Показано, что характер зависимости прочностных (<тв, a,ij) свойств ПАКМ имеет вид, присущий деформируемым алюминиевым сплавам. Кривые течения исследуемого материала (рис.4) имеют традиционный для алюминиевых сплавов характер. В интервале температур 20...300°С кривые отражают непрерывное упрочнение ПАКМ с ростом степени деформации. При более высоких температурах на кривых появляется участок с постоянным, независимым от степени деформации напряжением течения материала. Это отражает равновесие между процессами упрочнения и разупрочнения

Относительно высокие пластические характеристики (5=55...!20%, ц/=55...65%, Ар=1,2...2,0) и степень деформации - 0,6, достигаемые в диапазоне температур 450,.,520°С, указывают на хорошие технологические свойства ПАКМ и возможность организации производства полуфабрикатов из них на стандартном прессовом оборудовании и подтверждает правильность выбора оптимальной темнерапры liai рева перед жструшей определенной с помощью калорнмсфцчесыхо апаш ¡а /пя 1IAKM на основе сплавов системы Al-Cn-Mg ( Г) 0,95 Г сольвус мафнчною алюминисво! о сплава).

С иснольн.нанием рапичных меюдои исследований (калоримстричсск-ого, микрорешзеноспекзрачыюго и фраклографического анализов, испытания механических свойств) проведен анализ влияния термической обработки на структуру и свойства ПАКМ системы Al-Cu-Mg/SiC. Представленные в работе результаты испытаний механических свойств ПАКМ состава Д16+20 мас.% SiC после различных видов, термической обработки демонстрируют слабую тенденцию к увеличению прочности в зависимости от режимов термической обработки. Методом химического микрорентгеноспектрального анализа установлено, что по сравнению со стандартным сплавом Д16 в матричном сплаве ПАКМ существенно меньше содержание легирующих элементов, необходимых для упрочнения при термической обработке. Для дальнейшего повышения прочности ПАКМ необходимо рассмотреть возможности увеличения адгезионно! прочности матрицы и частиц SiC, изменение формы в направлении сфероидизации керамических частиц, а также увеличения содержания основных упрочняющих сплав легирующих элементов, в данном случае меди и магния.

Глава 4. Всесторонние исследование структуры и свойств ПАКМ многофункционального назначения.

Для оценки эффективности использования и внедрения ПАКМ при изготовлении изделий аэрокосмической техники необходима всесторонняя аттестация свойств материала.

Температура испытания, °С Температура испытания, °С

Температура испытания, °С

Рис.2. Температурные зависимости характеристик пластичности композита состава 1160/17%ЗЮ, полученные в испытаниях на растяжение при скорости деформации ф = 0,06 с1

ю

а,,,МПа

100 200 300 400 500 600 Температура испытания, °С

Температура испытания, °С

Рис.3. Температурные зависимости временного сопротивления разрушению 0„ (а) и условного предела текучести <т0, (б) композита состава 1160/17%8Ю,полученные в испытаниях на растяжение при скорости деформации ф = 0,06 с1.

м

100

200 300

Температура Т°С

400

500

Рис.4 Кривые течения композита 1160/17% БЮ, полученные в испытаниях на растяжение

со скоростью деформации ¿р =0,06 с".

В главе представлены результаты исследований по влиянию массовой доли и размера частиц 8¡С на структуру и свойства прессованных полуфабрикатов и; ПАКМ на основе алюминиевых сплавов различных систем Д16 и 01203. армированных частицами определены механические, ресурсные и эксплуатационные характеристики ПАКМ.

В результате изучения влияния содержания и дисперсности частиц БЮ на механические свойства, структуру и характер разрушения ПАКМ с целью оптимизации состава для достижения сочетания максимальных прочностных и пластических характеристик, определены показатели структуры, характеризующие композиционный материал, проведен анализ распределения параметров структуры

Установлено, что негативным последствием введения частиц является снижение пластичности. Основными причинами снижения пластичности следует считать недостаточную адгезионную прочность сцепления с матрицей и имеющиеся острые кромки на частицах БЮ. Некоторое значение имеет интенсивность деформационного упрочнения материала матрицы, уровень или степень характера напряженного состояния. Положительным последствием введения частиц можно считать повышение прочности. По всей видимости, упрочнение является следствием изменения условий деформации на микроскопическом уровне - на уровне деформационного упрочнения матрицы.

При большом объеме экспериментальных данных, полученных на исследованном материале в различных состояниях, целесообразно было изучить, в какой мере изменение свойств коррелирует между собой. В работе рассматривались две группы свойств - прочность и пластичность. Фактором, определяющим измененш свойств, являлись изменения массовой доли и размера частиц 81С. Массовая доля изменялась в пределах от 15 до 30%, размер частиц - от 5 до 50 микрон.

В таблице 5 представлены результаты корреляционного анализа рассматриваемых свойств. В левой части таблицы даны средние значения свойсте по всей совокупности результатов, а в правой - значение коэффициентов корреляции.

Таблица 5

Результаты корреляционного анализа механических свойств ПАКМ состава

Д16+ БЮ.

Средние значения Корреляционная матрица Рц <7(1.2 5

о„ 356 МРа с„ 1 0,5 0,292

о,и 299 МРа Со.2 0,5 1 - 0,33

8 4,03 % 8 0,292 -0,35 1

При данном числе степеней свободы, определяемом размером выборки, и принятом уровне значимости, равном 0,1, критические значения коэффициента корреляции составляет 0,323. С учетом этого можно говорить о наличии четко выраженной корреляции между пределом прочности и текучести по всем образцам, с различным массовым содержанием 51С и размером частиц. Можно предположить также, что фактором, определяющим повышение прочности - как

сопротивления разрушению, является увеличение сопротивления пластической деформации (а^).

Не обнаруживается корреляция между пределом прочности и относительным удлинением, что свидетельствует о взаимно неорганизованном разбросе результатов по пределу прочности и относитегьному удлинению. Слабая корреляционная зависимость обнаруживается между пределом текучести относительным удлинением по всей выборке. Наличие корреляционной зависимости между пределом текучести и относительным удлинением и ее отсутствие между пределом прочности и относительным удлинением может быть результатом изменений в механизме разрушения. Не вызывает сомнений, что повышение предела текучести определяется расстоянием между частицами Б1С, которое зависит как от массовой доли, так и от размера частиц в сторону увеличения и уменьшения данных параметров структуры, соответственно.

Таким образом, исследование корреляции механических свойств между собой обнаруживает ее для предела прочности и предела текучести. Отсутствует корреляция между характерна иками прочности и пластичности. Установлено, что недопустимо ни ¡кую п.таспгпюа ь имеют 11АКМ с крупными частицами Б1С -20 .50 мкм и, нерояшо, па более мелких фракциях, но при содержании 30. ..50%.

На основании нолучснныч результатов корреляционного анализа и с помощью маюмш мчсских моделей установлена зависимость между параметрами структуры и механическими свойствами.

В качестве основной переменной, определяющей изменение характеристик прочности, с учетом данных корреляционного анализа была взята величина:

и3<г\ = У (4.1),

где Ь - размер частиц БЮ;

т) - массовая доля частиц 81С.

Анализ результатов расчета выражений, описывающих изменения свойств позволяют сделать следующие выводы:

1. В интервале малых значений величины У изменение свойств происходит наиболее сильно, при У>7 изменение прочности несущественно; в тоже время пластичность вряд ли будет возрастать.

2. Из технологических соображений возникают ограничения по величине размера частиц БС.

3. Из-за снижения пластичности нецелесообразно вводить частицы крупнее 20...50 мкм и в количестве более 30...50%.

Отмеченные три обстоятельства определяют ограничения и области возможных значений величины У и значений Ь и т]. На рис.5 на плоскости Ь-п определена область возможных данных величин, учитывающая систему ограничений 1...3. Наибольшей прочности отвечают точки в правом верхнем углу отмеченной области.

С использованием энергетического метода разработаны математические модели, описывающие верхнюю и нижнюю границы модуля упругости композитов системы Л!/81'С, на основе которых составлена программа, позволяющая путем ввода исходных данных по модулю упругости и коэффициенту Пуассона, получить в виде графиков характер изменения упругих

о

I-

о та

о. О) 5 т та О.

23 21 18 15 12 9

6 -

3 -

Область незначительного увеличения прочности и падения пластичности

\\\Ч\\\\\\ЧЧ\\\ЧЧ\\\\Ч\\\\\\\

.....-I_I_I_I_I_1_

15 18 21 24

Параметр т],%

27

30

Рис. 5. Области допустимых значений I. и л с позиций эффективности изменения о6 , аа.г

характеристик с любым дискретным упрочнителем, а также предсказать поведение таких материалов при повышенных температурах. Сопоставительный анализ экспериментальных и расчетных данных показал (рис.6), что:

- использование правила смесей для предсказания модуля упругости композиций Al/SiC оказывается совершенно непригодным, т.к. дает значительные

^ (на 30...60%) отклонения от экспериментальных;

- разработанная модель (кривая II) может быть с небольшой степенью погрешности (1...5%) использована для предсказания упругих характеристик АКМ с дискретным упрочнителем.

Изучение механических, ресурсных и эксплуатационных характеристик ПАКМ проводили на прессованных полуфабрикатах в термообработанном состоянии, изготовленных по оптимальным режимам.

Сравнительный анализ поведения двух составов ПАКМ и матричных сплавов при механических испытаниях в диапазоне температур 20...350°С показал (рис.7), что введение частиц SiC повышает прочностные характеристики матричных сплавов и эффект упрочнения сохраняется во всем диапазоне температур испытания. Следует отметить, что при использовании менее прочного мафично! о сплава 01203, эффект упрочнения выше, хотя по абсолютным величинам прочностные характеристики Д16+17 мас.% SiC и 01203+17 мае.% SiC идентичны.

Особый интерес представляет эффект резкого повышения значения относительног о удлинения (до 38%) материалов при температурах выше 250°С, что не характерно для алюминиевых сплавов. С целью объяснения данного явления в работе представлены результаты фрактографических исследований ПАКМ на основе AI сплава системы Al-Cn-Mg-Zn, отличающегося низким (5.. 7%) уровнем пластичности по сравнению со всеми деформируемыми алюминиевыми сплавами, а при введении частиц SiC в количестве 20 мас.% значение относительного удлинения при комнатной температуре снижается до 1,5%, в свою очередь, при температуре испытания 300°С уровень пластичности достигает 66,7%. В результате проведенных исследований установлено, что повышение температуры испытания приводит:

- к разупрочнению матричного сплава за счет перестаривания и огрубления фаз-упроч н ителей;

- к изменению механизма разрушения, в следствии которого упрочняющие матричный сплав частицы SiC не разрушаются сколом, а теряют связь с матрицей по месту прослоек, содержащих некоторое количество кремния.

В работе приведены результаты испытаний ПАКМ с определением значений Kic, СРТУ, MI (У и C725(i"". Установлено, что введение частиц SiC в алюминиевый сплав существенно (в 4... 10 раз) повышает усталостную долговечность и на 20...30% уровень жаропрочности по сравнению с материалом матричного сплава. Вязкость разрушения ПАКМ составляет 2/3 от уровня Кц- А! сил., что связано с морфологией упрочнителя (частицы имеют осколочную форму) и равна 23 ..29 МРа-м|/2. Значение СР'ГУ при относительно небольших величинах АК = 13..15 МРа м'/: имеют близкие значения, что свидетельствует о повышенном уровне выносливости ПАКМ, но повышение величины АК приводит к «катастрофическому» рафушению образца с невозможностью записи диаграммы

23

Массовая доля SiC, %

5 10 15 20 25 30

Объемная доля SiC, %

Рис.6 Зависимость значений модуля Юнга от содержания SiC.

Расчетные значения: I - по правилу смесей,

II - для гомогенного распределения частиц SiC,

III - для неоднородного распределения частиц

SiC.

о - литературные данные,

, - экспериментальные данные для ПАКМ состава Д-16-SiC.

/е

Температура испытания,'С Температура испытания, *С

Л

20 150 200 250 300 350 Температура испытания, "С

Температура испытания, 'С

1°15 10 5 О

150 200 250 300 Температура испытания, "С

40 35 30 25 #20

10 5 О

150 200 250 300 350 Температура испытания, *С

Рис. 7. Механические свойства композитов и матричных А1-сплавов.

значений СРТУ. Величины Kic и СРТУ, полученные в работе для данного класса АКМ согласуются с имеющимися литературными данными.

В работе представлены результаты исследований по определению влияния содержания частиц SiC (17...45 мас.%) и температуры испытания (20...300°С) на изменение величины коэффициента линейного расширения при температуре (KJIPT) ПАКМ. Рассмотрены результаты испытаний ПАКМ состава 01203+17 мас.% SiC с определением теплотехнических характеристик в диапазоне температур 20...300°С. Полученные данные свидетельствуют, что:

-изменение величины KJIPT при температурах 20...100°С имеет практическ линейную зависимость на уменьшение с увеличением содержания SiC(pnc.8);

- введение частиц SiC в количестве 17 мас.% обеспечивает снижение KJIPT во всем диапазоне температур испытания (таблица 6);

- теплотехнические характеристики ПАКМ незначительно меняются по сравнению с матричным сплавом (табл.6).

В главе представлены результаты исследований коррозионных (сопротивление коррозионному растрескиванию, расслаивающей коррозии; скорость коррозии по потере массы ; межкристаллитная коррозия) свойств многокомпонентной системы Al-Cu-Mg/SiC.

В результате проведенных исследований показано, что присутствие частиц SiC в А1 сплаве существенно снижает скорость коррозии по потере массы и составляет 0,012...0,056 г/м2 час не ухудшает сопротивление коррозионному растрескиванию; сопротивление РСК характеризуется большим разбросом от стойкого 4 балла до нестойкого В балла при среднем значении 4...6 баллов, что ниже чем у матричного сплава (7 балл); межкристаллитная коррозия (МКК) практически отсутствует в связи с тем, что присутствие мелкодисперсных частип SiC препятствует развитию межграничных поражений.

Особенно важными свойствами, при определении области применения материалов, являются технологические снойстнл, такие как технологическая пластичность, свариваемость, механическая обработка. В работе представлены результаты сравнительной оценки технологической пластичное!и обращов из ПАКМ на операциях разводки, посадки, малкопки и полсечки прессованных профилей. Результаты испытаний, проведенных на базе Д1 П К "Антонов" показали, что введение частиц SiC в алюминиевый сплав не ухудшает технологических свойств матричного сплава.

Интерес конструкторов как аэрокосмической , так и специальной техники t такому классу материалов поставил задачу по проведению исследований по подбору недорогой и надежной технологии соединения элементов конструкций, работе рассматриваются два типа сварки ПАКМ: аргонодуговая сварка и точечна электросварка. Эксперименты проводились на базе «МАТИ»-РГТУ им. Циолковского К.Э. и АНТК "Антонов", соответственно.

Проведенные исследования показали принципиальную возможность получения сварных соединений полуфабрикатов из ПАКМ методом аргонодуговой сварки.

В работе был опробован еще один метод соединения элементов конструкции из ПАКМ системы Al/SiC - точечная электросварка. Критерием оценки качества точечной сварки ПАКМ системы Al-SiC являлись результаты

НИКЕЛЬ, ЖЕЛЕЗО,

НИЗКОУГЛЕРОДИСТАЯ

СТАЛЬ

БЕРИЛЛИЙ И СПЛАВЫ НА ЕГО ОСНОВЕ, УГЛЕРОДИСТАЯ СТАЛЬ

10 20 30 40 Содержание БЮ, %мас

50

Рис. 8. Значения коэффициента линейного расширения ПАКМ АЦ сплав/БЮ.

Таблица 6

Теплофизические и теплотехнические характеристики А1 сплава 01203 и ПАКМ на его основе 01203+17 мас.% БКЗ.

Характеристики -150...20 -100...20 Температура испытания. °С -50...20 20...50 20...100 20 ...150 20...200 20...250 20...300

КЛРТ(ах 10"6),°С"' Матрица ПАКМ 19,9 15,2 20,7 16,3 21.3 16.4 22,1 16^4 22,3 17,0 22,4 18,1 23,2 19,6 23,8 21,1 23,9 22,0

20 50 100 150 200 250 300

Теплопроводность, К, Вт/м'К Матрица ПАКМ 155 143 157 144 165 145 176 147 183 151 176 157 159 167

Тем пературопро-водность, ах 105, м2/с Матрица ПАКМ 6,42 5,62 6,28 6,51 6.31 6.32 6,53 5,20 6,79 5,20 6,93 5,32 6,81 5,61

Удельная теплоемкость, Ср, Дж/кг • К Матрица ПАКМ 870 880 900 910 945 950 970 985 970 1010 865 1015 840 1040

технологических проб, микро- и макроанализа, исследование механических свойств образной, а также рентгенографии сварных точек. Установлено, что диаметр питой зоны сварной точки при сварке образцов ПАКМ между собой и алюминиевым сплавом соответствует общепринятым размерам для сварки алюминиевых сплавов типа Д16. Присутствие плакирующего слоя в ПАКМ не оказывает существенного влияния на свариваемость и прочность в одноименных сочетаниях.

Проведенные работы по определению возможности механической обработки показали, что материалы системы А1-51С удовлетворительно обрабатываются резанием на обычном станочном оборудовании с использованием тех же режимов, что и при обработке алюминиевого матричного сплава. С увеличением содержания обрабатываемость резанием ухудшается. В этом случае необходимо использовать лезвийный инструмент из твердосплавного материала или алмазно-абразивный инструмент.

Независимая оценка технологических и эксплуатационных свойств прессованных полуфабрикатов (прутки, профили, трубы) из ПАКМ на базе АНТК "Антонов" показала пригодность этих материалов для изготовления элементов конструкций. Однако, при этом необходим комплексный учет структурных и эксплуатационных факторов.

Глава 5. Исследование трибологических свойств ПАКМ и возможные области применения в качестве композиционного антифрикционного материала.

Производство композиционных антифрикционных материалов в последнее время стало самостоятельной отраслью промышленности. Подавляющее большинство современных машин и механизмов имеют подвижные сочленения, обеспечивающие возможность выполнения ими рабочих функций. Однако, в связи с непрерывно повышающимися параметрами работы машин и механизмов в большинстве случаев материалы, работающие в узлах трения, выходят из строя значительно раньше, чем другие части машин. Основными требованиями ко всем антифрикционным материалам, являются минимальный коэффициент трения и высокая износостойкость.

В главе представлены результаты исследований трибологических (износостойкость и коэффициент трения ) характеристик, разработанных ПАКМ с целью оптимизации состава для использования данного класса АКМ в качестве композиционного антифрикционного материала.

Трибологическим исследованиям, с привлечением баз ИМАШ и МГТУ им.БауманаН.Э., была подвергнута серия материалов с различными матрицами, армированными частицами На основании полученных результатов определены приемлемые составы композитов для различных условий трения.

Модельные испытания образцов из ПАКМ в условиях имитирующих работу лопаток (взамен дорогостоящего и остродефицитного текстолита марки ПТ сорт 1) вакуумнасоса УВУ 60/45А по схеме «втулка-лопатка» показали:

- наличие повышенного износа образцов из текстолита (= в 10 раз) по сравнению с образцами из ПАКМ;

И

- уровень температуры втулок в режиме установившегося изнашивания при работе образцов из текстолита на 30.. ,40°С выше,чем у ПАКМ.

Из оптимального состава ПАКМ были изготовлены 2 комплекта лопаток и переданы Заказчику (АО "Агроживмаштехнология") для проведения стендовых и натурных испытаний.

В главе представлены результаты сравнительных триботехнических испытаний различных материалов, в том числе ПАКМ, на машине трения, имитирующей работы цилиндро-поршневой группы двигателя ВАЗ-1111. Триботехнические испытания показали, что ПАКМ имел коэффициент трения в области смешанной и граничной смазки на 3...4% ниже, а в области гидродинамического режима смазки на 2% выше, чем базовый материал -алюминиевый сплав АК15. При этом износ композита был в 2 раза меньше, чем износ AI сплава.

Для проведения моторных и эксплуатационных испытаний, методом изотермической штамповки из прессованных прутков на базе АОЗТ "Мотор-Композит" были изготовлены поршни и толкатель клапана двигателя автомобиля ВАЗ-1111. При изготовлении деталей из ПАКМ достигнуто снижение массы поршня на 25% и толкателя на 65%. Испытания в условиях эксплуатации в течение 850 часов показали, что за счет применения ПАКМ в деталях двигателя достигнуто снижение расхода топлива на 5...7% и шума на 2. .4 дБа, обеспечена высокая износостойкость материала в зоне 1 -го поршневого кольца.