автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка алюмоматричных композиционных сплавов и усовершенствование жидкофазной технологии их получения для отливок с повышенными триботехническими свойствами

На правах рукописи

ПАНФИЛОВ Александр Александрович

РАЗРАБОТКА АЛЮМОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ СПЛАВОВ И УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЖИДКОФАЗНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ОТЛИВОК С ПОВЫШЕННЫМИ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.16.04 - ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ВЛАДИМИР 2011

4852249

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» на кафедре «Литейные процессы и конструкционные материалы»

Научный руководитель: Заведующий кафедрой ЛПиКМ ВлГУ

доктор технических наук, профессор Кечин Владимир Андреевич

Официальные оппоненты: Заведующий кафедрой ЛВТ СамГТУ

доктор технических наук, профессор Никитин Владимир Иванович

Исполнительный директор ООО

Защита диссертации состоится 05 июля 2011 г. в 12:30 на заседании диссертационного совета Д 212.025.03 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д. 87, корпус 1, аудитория 211.

Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просим направлять по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ГОУ ВПО ВлГУ, диссертационный совет Д 212.025.03, тел./факс: 8(4922)331391, e-mail: lpikm@vlsu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета имени А.Г. и Н.Г. Столетовых»

Автореферат разослан «31» мая 2011 г. и размещен на сайте ВлГУ vvww.vlsu.ru «31» мая 2011 г.

«АЛВЭМЗ»

кандидат технических наук

Скитович Светлана Вадимовна

Ведущая организация:

ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Учёный секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

А.А. Панфилов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

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

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

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

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

Известны различные способы получения композиционных сплавов на основе алюминия, армированных дисперсными упрочняющими фазами. Одним из широко распространенных жидкофазных способов является метод механического замешивания дискретных тугоплавких частиц в расплав, благодаря своей простоте и универсальности. Однако он имеет ряд существенных недостатков, главными из которых являются окисление и газонасыщение матричного сплава и низкий уровень адгезионных связей на поверхности раздела между наполнителем и матрицей. Минимизировать эти недостатки позволяет синтез армирующих фаз непосредственно в расплаве, получивший название реакционного литья, или in-situ процесса. Этот метод обеспечивает возможность получения композитов с высокой

1

термодинамической устойчивостью, отсутствием коагуляции наполнителя, плотным контактом и хорошей адгезией между матрицей и эндогенной упрочняющей фазой, следствием чего является повышенный уровень механических и эксплуатационных характеристик изделий из композитов. Кроме того, за счет введения в матричный сплав дополнительно экзогенных армирующих частиц, возможно достичь большего повышения характеристик изделий из композитов.

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

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

Целью работы является разработка новых композиций комплексно армированных многофазных АКС систем А1-"П-51С-В4С и А1-"П-81С-В и усовершенствование жидкофазной технологии их получения для отливок с повышенными триботехническими свойствами.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. На основании термодинамического анализа межфазного взаимодействия в многофазных системах А^ТМИС-В^С и Л1-Т1-31С-В обосновать выбор соотношений исходных компонентов с целью получения многофазных АКС с требуемой долей эндогенных и экзогенных фаз.

2. Усовершенствовать жидкофазную технологию для получения многофазных АКС систем А1-'П-81С-В4С и А1-И-81С-В с использованием комплексного экзогенного и эндогенного армирования и оптимизировать технологические режимы получения сплавов.

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

4. На основании опытно-промышленных испытаний изделий из многофазных АКС в узлах трения скольжения различного технологического

оборудования оценить эффективность использования АКС в сравнении с традиционными антифрикционными сплавами.

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

Научная новизна работы:

• на основании термодинамического анализа межфазного взаимодействия в системах А1-"П-81С-В4С и АМ^Ю-В дана оценка вероятности образования эндогенных упрочняющих фаз и обоснован выбор соотношений исходных компонентов с целью получения многофазных АКС с требуемой долей эндогенных и экзогенных фаз;

• выявлена принципиальная возможность получения многофазных АКС систем Л1-"П-Я1С-В4С и А1-"П-81С-В с применением комплексного армирования эндогенными ('ПС, "ПВ2, "ПВ, А1В2, "НАЦ. "ПА1 и др.) и экзогенными (81С) фазами различной природы. Установлена роль термовременных режимов при получении многофазных АКС на процессы межфазного взаимодействия;

• впервые представлены сведения о трибологических, механических и литейных свойствах новых многофазных АКС систем А1-"П-81С-В4С и АМ^С-В.

Практическая ценность:

• разработаны новые композиции многофазных АКС систем АИл-вЮ-В4С и А1-"П-81С-В, комплексно армированных эндогенными и экзогенными фазами;

• усовершенствована жидкофазная технология получения многофазных АКС, армированных эндогенными и экзогенными фазами (Патент РФ № 2323991), включающая новый способ рафинирования алюминиевых сплавов за счет обработки расплава комбинированными флюсами (Патент РФ № 2318029);

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

Реализация результатов работы в промышленности. По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработаны новые композиции многофазных АКС, комплексно армированных наполнителями эндогенного и экзогенного происхождения, и усовершенствована технология их получения. Опытно-промышленная апробация АКС в условиях ОАО

«Ставровский завод автотракторного оборудования», ООО «Ставровский комбинат «Спорт» (Владимирская обл.) и ООО «Литмаш» (Ивановская обл.) показала, что применение АКС в узлах трения скольжения в прессах мод. КД2128Е взамен бронзовых вкладышей опоры эксцентрикового вала, в продольношлифовальных станках мод. ЗБ722 и безцентровошлифовальных станках мод. ЗА184 взамен бронзовых вкладышей опоры шпинделя в шлифовальной бабке и другого оборудования позволило увеличить в 4-5 раз межремонтные циклы профилактики оборудования и за счет снижения себестоимости изготовления подшипников скольжения в 3-3,5 раза обеспечить получение экономического эффекта до 30000 рублей на единицу оборудования.

Личный вклад автора состоит в теоретическом обосновании поставленных задач, проведении экспериментальных исследований, анализе полученных результатов и их обобщении.

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на следующих российских и международных научно-технических и научно-практических конференциях: Всероссийской (с международным участием) молодежной научной конференции «XI Туполевские чтения» (г. Казань, 2003г.); Научно-технической конференции «Проблемы машиностроения на современном этапе» (г. Владимир, 2003 г.); III Международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии» (г. Москва, 2005г.); Международной молодежной научной конференции, посвященной 1000-летию города Казани «Туполевские чтения» (г. Казань, 2005г.); XVIII Международной Интернет-конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУСпробмаш-2006) (Москва, 2006г.); Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Брянск, 2006г.); 26-ой, 27-ой и 28-ой Международных конференциях и выставках «Композиционные материалы в промышленности» (г.г. Ялта-Киев, 2006-2008г.); Международной научно-технической конференции «Высокие технологии и перспектива интеграции образования, науки и производства» (Ташкент, 2006г.); Всероссийской конференции инновационных проектов аспирантов и студентов «Индустрия наносистем и материалов» (Москва, 2006г.); VII-VIII съездах литейщиков России (г. Новосибирск, 2005г., г. Ростов-на-Дону, 2007г.); Международной конференции / молодежной школе-семинаре «Современные нанотехнологии и нанофотоника для науки и производства» (г. Владимир, 2008г.); IV межотраслевой научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых с международным участием «Вооружение. Технология. Безопасность. Управление» (г. Ковров, 2009г.); II научно-практической конференции «Заготовительные производства предприятий Волго-Вятского региона» (г. Нижний Новгород, 2010г).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликована 21 научная работа в журналах и сборниках трудов российских и международных научно-технических конференций, в том числе 3 в журналах

из Перечня ведущих научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ; получены 2 патента РФ на изобретения.

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

На защиту выносятся следующие положения:

• Новые композиции многофазных алюмоматричных композиционных сплавов систем А1-Т1-8'|С-В4С и Л1-Ть81С-В, комплексно армированных эндогенными и экзогенными фазами.

• Жидкофазная технология получения многофазных АКС, включающая • комплексное армирование предварительно рафинированной алюминиевой

матрицы экзогенными и эндогенными фазами.

• Закономерности формирования структуры и свойств литых многофазных АКС систем А1-Т|-81С-В4С и А1-И-31С-В.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и сформулированы цель и задачи исследований, показаны научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе проведен анализ отечественных и зарубежных достижений в области создания АКС, который позволил установить перспективность использования АКС в различных областях техники за счет широкого спектра самых различных их свойств. Однако в области создания АКС, несмотря на широкое разнообразие методов их получения, нет наиболее универсальной технологии их приготовления, которая отличалась бы своей производительностью, экологичностью, экономичностью, простотой.

Результаты анализа показывают, что ускоренные темпы развития техники требуют создания АКС, обладающих качественно новым уровнем эксплуатационных свойств, поэтому в последнее время активно разрабатываются композиты, имеющие несколько уровней упрочнения матрицы, так называемые комплексно армированные многофазные АКС, в которых армирующие компоненты вводятся извне и/или синтезируются непосредственно в объеме расплава за счет контролируемых химических реакций между введенными компонентами и матричным расплавом.

На основании литературного обзора в диссертационной работе сформулированы цель и основные задачи исследований.

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

Для получения литых многофазных АКС систем А1-Т1-81С-В4С и А1-Т1-81С-В при проведении экспериментальных исследований в качестве матричного расплава использовали алюминий марки А99 (ГОСТ 110692001), сплавы АК12 (ГОСТ 1583-93) и Д16 (ГОСТ 4784-97).

В качестве наполнителей использовали порошки титана марки ПТХ-6-1 по ТУ 49-10-78-83 размером 0,1-0,2 мм, порошок карбида кремния зеленого по ГОСТ 26327-84 дисперсностью <28 мкм, порошок карбида бора с размерами <63 мкм и порошок аморфного бора по ТУ 113-12-132-83 размером <50 мкм.

Технология получения литых многофазных АКС включает в себя предварительную подготовку исходных порошков, их механоактивацию в шаровой мельнице и последующее брикетирование, подогрев брикетов и их ввод в алюминиевый матричный расплав [22]. Экзотермические реакции, проходящие в объеме матричного расплава при вводе в него брикетов, обеспечивают образование эндогенных упрочняющих фаз, дополнительно улучшая условия для смачивания и усвоения экзогенных армирующих фаз матричным расплавом.

Предварительная обработка армирующих наполнителей заключалась в прокаливании порошка при 550-600 °С в течение 1,5-2 часов с целью удаления адсорбированных примесей с поверхности частиц и их активации. Порошки титана, карбида бора и аморфного бора прокаливали в сушильном шкафу при температуре 100-120 °С в течение 50-60 минут. После прокалки порошки загружали в шаровую мельницу для механической активации в течение 30-60 мин. Затем порошки под давлением 100-130 МПа прессовали в цилиндрические брикеты с остаточной пористостью 30-40 %. Брикеты перед вводом предварительно подогревали до температуры 110+10 °С, а затем вводили в матричный алюминиевый расплав.

С целью установления оптимальной температуры расплава при вводе брикетов, последние вводили в матричный алюминиевый расплав при температурах 750-900 °С. По истечении заданного времени (15 мин; 30 мин; 60 мин, 90 мин) заливали в кокиль образцы диаметром 15 мм. В течение всего времени проведения экспериментов осуществляли запись термограмм на потенциометре КСП-4 с погрешностью ±2 "С.

При отработке технологии получения многофазных АКС особое внимание было уделено подготовке матричного сплава. С этой целью был разработан способ рафинирования алюминиевых сплавов комбинированными флюсами, содержащими хлориды, фториды и огнеупорные наполнители в виде дисперсных частиц тугоплавких оксидов алюминия и кремния [23]. Комбинированный флюс в количестве 2,5 % от массы сплава (состав: КС1 - 9,4 %, 7^аС1 - 6 %, Ыа3А1Рб — 4,6 %, метакаолинит А120з'28Ю2 — 80%) замешивали в расплав в интервале температур ликвидус-солидус, т.е. в твердожидком состоянии, что обеспечивало равномерное распределение реагентов. При последующем повышении температуры происходило активное экзотермическое взаимодействие флюса с расплавом, в результате чего частицы рафинирующего реагента всплывали на поверхность, адсорбируя при этом находящиеся в расплаве газы и оксиды. Как показали сравнительные испытания по рафинированию силуминов (например, АК12) стандартными и разработанным комбинированным

флюсом, временное сопротивление разрыву в последнем случае возрастает со 190 до 210 МГТа (на 10,5 %), а относительное удлинение - с 4,2 % до 6,5 % (в 1,5 раза). Результаты испытаний показали, что при использовании разработанного комбинированного флюса существенно повышается эффективность процесса рафинирования алюминиевых сплавов, что приводит к повышению их механических свойств, снижаются энергетические затраты (себестоимость рафинирования) за счет сокращения длительности выдержки расплава под флюсом, повышается экологическая безопасность за счет снижения доли солевых составляющих во флюсе.

Исследования микроструктуры, фазового состава и триботехнических характеристик многофазных АКС проведены совместно с сотрудниками ИМЕТ им. A.A. Байкова РАН под руководством профессора Т.А. Чернышовой.

Для исследования структуры новых многофазных АКС использовали микроскопы Номарски, Leica Q550 DM ILM, растровый сканирующий электронный микроскоп FE1 Quanta 200 3D Dual Beam™ (USA) с интегрированной системой фокусированного ионного пучка и растровый электронный микроскоп Carl Zeiss LEO 430¡ с энергодисперсионным рентгеновским анализатором JED-2300 фирмы JEOL. Фазовый состав исследовали методами рентгенографии на дифрактометре ДРОН-ЗМ.

Измерения твердости образцов из новых многофазных АКС при нормальной температуре проводили на приборе типа ТШ-2 (ГОСТ 23677-79) по методу Бринелля при нагрузке 102,6 кг, диаметре шарика 2,5 мм и времени нагружения 20 сек в соответствии с ГОСТ 9012-59.

Трибологические испытания многофазных АКС в условиях сухого трения скольжения проводили на установке УМТ— 1 по схеме осевого нагружения кольцевых образцов 0 нар28 х 0.„2О х h 16 мм. Осевая нагрузка Р составляла 70, 108, 144, 180 Н, скорость скольжения изменяли в пределах 0,38 -1,88 м/с (п = 400 - 1500 мин"1). Контр-тела были изготовлены из стали 40Х (HRC>45). Трибологические характеристики образцов из многофазных АКС в сравнении с матричными сплавами Д16 и АК12 оценивали по величине коэффициента трения /, рассчитанного по диаграммам моментов трения, и условиям перехода в задир. Износостойкость определяли по потере массы при взвешивании образцов до и после испытаний при одинаковых параметрах трибонагружения. Точность взвешивания ±0,5x10"3 г.

Экспериментальные исследования жидкотекучести литых многофазных АКС проводили на спиральной пробе по стандартной методике на образцах, залитых при температурах 700, 725 и 750±5 °С в песчано-глинистую форму.

Линейную усадку АКС определяли по стандартной методике на образцах, залитых в металлическую форму-полу ко киль с песчаной вставкой при температурах 700, 725 и 750±5 °С.

В третьей главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований формирования структуры многофазных АКС систем AI-TÍ-SÍC-B4C и Al-Ti-SiC-B, комплексно армированных

экзогенными и эндогенными упрочняющими фазами, а также термодинамические расчеты межфазного взаимодействия в этих системах.

Изучение процессов взаимодействия армирующих компонентов с матричным расплавом чрезвычайно важно при оптимизации технологических режимов получения литых композиционных сплавов. Как известно, АКС с точки зрения термодинамики являются системами, в которых активно протекают процессы межфазного взаимодействия. Для получения многофазных АКС с требуемым комплексом свойств необходимо с одной стороны, чтобы часть введенных в виде брикета порошкообразных компонентов вступила во взаимодействие с алюминиевым расплавом для образования требуемых эндогенных армирующих фаз, а с другой -ограничить взаимодействие с расплавом экзогенной армирующей фазы с целью минимизации ее деградации. Как правило, это достигается за счет подбора технологических режимов получения АКС.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показывают, что высокий уровень механических и эксплуатационных свойств с учетом технологичности при изготовлении могут обеспечить многофазные АКС на основе систем А1-Т!-В4С-81С и А1-"П-В-81С. Это обусловлено тем, что в указанных системах должны иметь место интенсивные экзотермические реакции с образованием различных эндогенных керамических и интерметаллидных фаз.

Чтобы оценить вероятность образования предполагаемых эндогенных упрочняющих фаз был проведен термодинамический анализ равновесия потенциально возможных реакций межфазного взаимодействия при температурах от 750 до 900 °С. Для реакций взаимодействия в указанных системах были рассчитаны величины стандартных изобарных потенциалов А(?т и констант равновесия /£ К по методу М.И. Темкина и Л.А. Шварцмана.

Термодинамические расчеты показали, что для систем ЛИЧ^С-вЮ и

А1-"П-В-81С характерно многообразие экзотермических реакций взаимодействия между компонентами с образованием эндогенных упрочняющих фаз:

хТ1 + уА1 "ПХА1У + д, где Т1ХА1У = ПА13, ПА1 (1)

А1+2В-+А1В2+6 (2)

П+2В—»ИВ2+£? (3)

10А1 + ЗВ„С — 6А1В2+АЦС3 + 0 (4)

+ —♦ Т1С + в! + (5)

зт1+в4с->2та2+т1с+е (6)

Расчет изобарных потенциалов ДС/т и констант равновесия 1% К реакций межфазного взаимодействия при температуре 800 °С (табл. 1) показывает, что наиболее активно идет взаимодействие по реакциям (3), (4) и (6) с образованием "ПВ2, А1В2 и "ПС, менее активно по реакциям (2) и (5) с образованием А1В2 и ТЮ. Согласно реакции (1) образуются интерметаллидные соединения типа Т1А13 и "ПА1, причем образование фазы ИЛЬ более вероятно, чем фазы "ПАК

Таблица 1 - Изобарные потенциалы и константы равновесия & Кт реакций взаимодействия фаз в системах А1-Т1-В4С-51С и А1-Т1-В-5'1С_

Реакции взаимодействия Изобарный потенциал Дб^жю, кал/моль Константа равновесия ¡я Кш

Т1 + ЗА! — Т1АЬ -49381 10,05

П + А1 —»Т1А1 -15496 3,07

А1 + 2В —»А1В2 -23667 4,82

ТС + 2В-»ТШ2 -64418 13,12

10А1 + ЗВ4С 6А1В2 + АЦСз -67853 13,82

Т1 + ЭЮ ТС + 81 -32381 6,74

ЗТ1 + В4С -> 2Т1В, + ТС -163998 33,40

Расчеты изобарных потенциалов ДО°г реакций межфазного взаимодействия при других температурах показывают, что с ростом температуры изобарные потенциалы А(?Т реакций в абсолютных значениях могут как возрастать, так и уменьшаться, что указывает либо на интенсификацию, либо на замедление межфазного взаимодействия по реакциям при определенных температурах. Термодинамические расчеты в рассматриваемых системах показывают, что при любых температурах все представленные реакции межфазного взаимодействия имеют большие отрицательные значения изобарных потенциалов, что свидетельствует о значительных потенциальных возможностях их протекания.

Таким образом, выполненные термодинамические расчеты позволили оценить вероятность форми рования эндогенных фаз в объеме АКС в процессе их получения и обоснованно подойти к выбору соотношений порошкообразных компонентов в брикете с целью получения многофазных АКС заданного состава, т.е. с требуемой долей эндогенных и экзогенных фаз.

Чтобы установить характер экзотермических реакций, проводили термический анализ процесса. Согласно термограммам, введение в алюминиевый расплав композиционных брикетов резко повышает его температуру (рис. 1). Наибольший экзотермический эффект с повышением температуры на 90 °С (например, при вводе брикетов в расплав, температура которого 800±5 °С) наблюдается в композиции А1+ГП+В], что может быть объяснено одновременным протеканием реакций (1) и (3). Экзотермический эффект композиции А1+[Т1+В4С] несколько ниже, что может быть объяснено более высокой реакционной способностью аморфного бора в сравнении с В4С. При вводе в расплав брикетов, содержащих дополнительно экзогенную армирующую фазу ЭКГ, наблюдается некоторое уменьшение экзотермического эффекта, однако общее повышение температуры композита способствует улучшению смачиваемости частиц Э|С расплавом.

А1+[ТК8Ю+В4С] А1+рЧ+В] А1+[Л+В4С] А1+Т1

А1+П"|+ас]

А1+ГП+51С+В]

Вр«мя.мин

Рисунок 1 - Изменение температуры матричного расплава при вводе армирующих брикетов (Т.,ом = 800±5 °С)

Аналогичные зависимости получены и при других температурах матричного расплава в момент ввода брикетов. Характер кривых и влияние состава композиций на экзотермические эффекты идентичные. Проведенные исследования позволили установить, что увеличение температуры расплава при вводе брикетов приводит к интенсификации реакций межфазного взаимодействия в многофазных АКС систем А1-'П-В4С-81С и АМЧ-В-БЮ (время реакции уменьшается, а экзотермический эффект увеличивается).

Металлографические исследования структуры образцов многофазных АКС (рис. 2) показало, что для всех образцов характерно наличие интерметаллидной фазы ПАЬ. Кристаллы "ПАЬ достаточно равномерно распределены и имеют в основном форму равноосных четырехугольников со средним размер частиц ~8 мкм. В композиции А1+[В4С+"П+81С] присутствуют крупные единичные кристаллы В4С размером 47мкм, отделенные от матрицы глубокими темными границами, а также частицы (рис. 2а). Карбид бора, входящий в состав данной композиций, должен взаимодействовать с Т1 с образованием Т1В2 и ТЧС, однако они металлографически не выявлены. Это дает основание предположить, что они имеют очень малые размеры. В состав композиции АИ-р+ТТ^С] входит аморфный бор, который выявляется в виде мелких включений темного цвета (рис. 26).

Исследования микроструктуры отливок из многофазных АКС показали, что увеличение температуры расплава при вводе брикетов приводит к увеличению средних размеров интерметаллидных фаз.

Рисунок 2 - Микроструктуры отливок из многофазных АКС (Т„вода = 800+5 °С): а - Al+[B4C+Ti+SiC]; б - Al+[B+Ti+SiC], X3S0

Кроме того, увеличение температуры расплава при вводе брикетов и времени выдержки композита в жидком состоянии приводит к его большему окислению и активизирует деградацию экзогенной армирующей фазы, что в последствие негативно отражается на механических и эксплуатационных свойствах отливок из АКС. При температуре расплава в момент вода брикетов 750±5 °С в объеме АКС даже после выдержки его в жидком состоянии более 30 мин наблюдаются включения исходного непрореагировавшего порошка титана, что связано с недостаточно интенсивным прохождением реакций межфазного взаимодействия.

Проведенные термографические исследования и анализ микроструктур показывают, что температурно-временные режимы получения многофазных АКС оказывают значительное влияние на их структуру, поэтому они должны точно контролироваться. Температура расплава при вводе брикетов должна быть в пределах 800-850 °С. Повышение температуры расплава при вводе брикетов свыше 850 °С крайне нежелательно. Время выдержки композита в жидком состоянии не должно превышать более 15-20 мин.

Результаты металлографического анализа подтверждаются исследованиями фазового состава АКС, представленного в табл. 2.

Таблица 2 - Результаты рентгенофазового анализа композиций АКС

Композиция Фазовый состав АКС, об.%

AI TiAl3 TiAl A1B2 TiB2 TiC TiBу/ /Ti,Si4 B4C SiC/ /Si TiSi2 TiO/ /Si02

Al+fSiC+Ti] 89,72 3,51 1,75 - - 0,88 -/ 0,88 - -/ 0,88 1,51 -/ 0,88

Al+[B4C+Til 84,03 10,08 - - 4,20 0,84 -/- 0,84 -/- - -/-

Al+[B4C+Ti+SiC] 74,07 3,70 - - 4,44 - -/- 1,48 4,67 /- 9,63 -/-

Al+fB+Til 86,96 6,96 1,74 0,87 1,74 - 0,87 /- - -/- - 0,87 /-

Al+[B+Ti+SiCl 81,30 4,88 3,25 1,63 5,69 0,81 1,50 /- 0,81 1,63 /- - -/-

Как видно из приведенных результатов, титан, взаимодействуя с алюминием, образует интерметаллиды различного состава А13Т1 и А1Т1. Аморфный бор более активно, чем карбид бора В4С, взаимодействует как с

титаном, образуя две фазы TiB2 и TiB, так и с Al (фаза Л1В2). В композициях, содержащих карбиды, подтверждено присутствие TiC. В образце системы Al+[B+Ti+SiC] в результате присутствия аморфного бора и частичного разрушения SiC появляется карбид бора (0,81об.%).

Таким образом, результаты металлографического и рентгенофазового анализов образцов многофазных АКС, подтверждают образование необходимых эндогенных упрочняющих интерметаллидных, боридных и карбидных фаз, формирование которых было спрогнозировано в ходе термодинамических расчетов реакций в исследуемых системах.

В четвёртой главе представлены результаты исследований механических, трибологических и литейных свойств матричных алюминиевых сплавов и многофазных комплексно армированных АКС на их основе.

Испытания на твердость образцов алюминия А99 и многофазных АКС на его основе при Т = 25 °С показали (рис. 3), что твердость всех образцов выше твердости матричного сплава.

ОА99

0A99+5%Ti

aA99+2,5%T¡+ 2,5%SÍC(28MICM) я А99+1,5%Ti+ 3,5%В4С(63мш) m A99+3%T¡+ 3,5%В4С(63мга)+ 5%S¡C(28MKM) в A99+1,5%T¡+ 3,5%B aA99+4%Ti+ 3,5%B+5%S¡C(28mkm)

Рисунок 3 - Твердость образцов алюминия А99 и многофазных АКС на его основе

Максимальное упрочнение получено на образце композиции А1+[В4С+Т1+81С] (до 67 кг/мм2), содержащем наибольшее количество эндогенных упрочняющих фаз, а также вследствие лучшего сохранения экзогенных частиц (табл. 2).

Наиболее важными триботехническими характеристиками материалов являются износостойкость и коэффициент трения.

Испытания, проведенные в условиях сухого трения скольжения показали, что образцы многофазных комплексно армированных АКС обладают более высокими триботехническими характеристиками (низкий коэффициент трения, высокие износо- и задиростойкость), чем матричные сплавы АК12 и Д16. Образцы на основе сплава Д16 имеют более низкие значения коэффициента трения, чем образцы на основе сплава АК12, что обусловлено более высоким уровнем прочности сплава Д16. При этом

наилучшие результаты показали АКС на основе сплавов Д16 и АК12, комплексно армированные эндогенными ("ПАЬ, "ПВ2, ПБЬ) и экзогенными ^¡С) фазами (композиция А1+[В4С+Т1+8!С], соотношение В4С к Т'| согласно стехиометрическим коэффициентам для получения 5%масс. ТШ2).

Одними из важнейших технологических свойств литых комплексно армированных многофазных АКС являются их жидкотекучесть и усадка, которые определяют возможность получения качественных отливок из АКС и позволяют определить технологические режимы их литья.

Анализ полученных данных по жидкотекучести (табл. 3) показывает, что комплексное армирование АКС приводит к снижению жидкотекучести вследствие возрастания эффективной вязкости композиций.

Таблица 3 - Усредненные значения жидкотекучести и линейной усадки сплава АК12 и многофазных АКС на его основе при Тзал = 700 °С_

Состав сплава / АКС Жидкотекучесть X, мм Линейная усадка, %

АК12 620 0,85

АК12+ГП+В4С+5%81С28] 550 0,79

АК12+ГП+В+5%81С281 553 0,75

Установлено, что увеличение доли армирующих фаз в объеме композита приводит к заметному уменьшению жидкотекучести, а увеличение температуры заливки АКС, хотя и приводит к повышению жидкотекучести, однако это увеличение не столь значительно по сравнению с матричным сплавом. Это указывает на то, что жидкотекучесть комплексно армированных многофазных АКС зависит в первую очередь от объемной доли армирующих фаз, а во вторую - от температуры заливки АКС.

Результаты экспериментальных исследований линейной усадки литых комплексно армированных многофазных АКС (табл. 3) показывают, что усадка АКС уменьшается с увеличением доли армирующих фаз в матричном сплаве. Это связано с тем, что с увеличением доли армирующих фаз в композиции уменьшается доля жидкой фазы, которая является основной составляющей величины усадки. За счет равномерного распределения армирующих фаз в матрице усадка в многофазных АКС рассредоточена по объему, поэтому концентрированных усадочных раковин не образуется.

Анализ полученных результатов по исследованию литейных свойств многофазных АКС позволяет сделать вывод, что для них вполне применима обычная гравитационная заливка при температуре 700-750 °С.

В пятой главе по результатам проведенных комплексных теоретических и экспериментальных исследований разработан технологический процесс получения отливок из многофазных АКС систем А1+[В4С+"П+81С] и А1+[В+Т1+81С]. Схема технологического процесса представлена на рис. 4.

Рисунок 4 - Схема технологического процесса получения отливок из АКС

Для изготовления отливок из многофазных АКС может быть использован любой способ литья: в ПГФ, в кокиль, под давлением и др.

Результаты исследований трибологических свойств комплексно армированных многофазных АКС систем А1+[В,)С+'П+51С] и А1+[В+Т1+5|С] показали, что они обладают хорошими трибологическими характеристиками, поэтому они могут быть рекомендованы для изготовления подшипников скольжения, втулок, вкладышей и др. взамен традиционных антифрикционных сплавов, работающих в высоконагруженных трибосопряжениях различных видов техники.

На ОАО «Ставровский завод автотракторного оборудования» (Владимирская обл.) для изготовления подшипников скольжения, используемых в узлах трения прессов мод. КД2128Е взамен бронзовых вкладышей опоры эксцентрикового вала, и в продольношлифовальных станках мод. ЗБ722 и безцентровошлифовальных станках мод. ЗА184 взамен бронзовых вкладышей опоры шпинделя в шлифовальной бабке, использовали АКС системы А1-81+[В4С+Т1+81С28]- Заготовки подшипников получали методом литья с кристаллизацией под давлением. Промышленные испытания подшипников из АКС, проведенные в течение года, свидетельствуют об их высокой эксплуатационной надежности и значительной экономической эффективности в сравнении с применяемыми вкладышами из бронз Бр.А9ЖЗЛ и Бр.05Ц5С5.

На ООО «Ставровский комбинат «Спорт» (Владимирская обл.) подшипники скольжения из многофазных АКС прошли успешные испытания

в узлах трения скольжения прессов «Макрон» мод. 8ЬР8-2400М. Установлено, что подшипники из АКС отличаются от подшипников на медной основе более высокой задиро- и износостойкостью и обеспечивают стабильный процесс трения в условиях ограниченной смазки при нагрузках до 60 МПа.

Для ООО «Литмаш» (Ивановская обл.) была изготовлена партия подшипников скольжения для использования их в узлах трения в: прессах однокривошипных открытых простого действия мод. КИ-2128 усилием 630 кН и мод. КД-2129И усилием 800кН взамен бронзовых вкладышей опоры эксцентрикового вала; гильотинных ножницах мод. НГ-16-01 взамен бронзовых втулок опоры эксцентрикового вала; станках плоскошлифовальных мод. ЗД711АФ10-1 и безцентровошлифовальных мод. ЭЕ183ВМ взамен бронзовых вкладышей опоры шпинделя в шлифовальной бабке; зубофрезерных станках мод. 53А80Ф6 взамен бронзовых втулок шпиндельного узла. Применение АКС позволило увеличить в 4-5 раз межремонтные циклы профилактики оборудования и за счет снижения себестоимости изготовления подшипников скольжения в 3-3,5 раза обеспечить получение экономического эффекта до 30000 рублей на единицу оборудования.

Проведенные опытно-промышленные испытания комплексно армированных многофазных АКС систем А1+[В4С+"П+81С] и А1+[В+"П+81С] свидетельствуют о перспективности и целесообразности их использования взамен традиционных медных сплавов в узлах трения скольжения в отраслях общего машиностроения, текстильной, авиационной, автомобильной, газо- и нефтедобывающей промышленности, железнодорожного транспорта.

Общие выводы

1. На основании проведенного термодинамического анализа межфазного взаимодействия в системах А1-Т1-81С-В4С и А1-Т'1-8)С-В дана оценка вероятности образования эндогенных упрочняющих фаз и обоснован выбор соотношений исходных компонентов с целью получения многофазных АКС с требуемой долей эндогенных и экзогенных фаз.

2. Разработаны новые композиции многофазных АКС систем А1-'П-81С-В4С и А1-Т1-51С-В, включающие эндогенные СПА13, Т)А1, ТШ2, А1В2, "ПВ, "ПС и др.) и экзогенные частицы БЮ.

3. Усовершенствована жидкофазная технология получения многофазных АКС, комплексно армированных эндогенными и экзогенными фазами (Патент РФ № 2323991), включающая новый способ рафинирования алюминиевых сплавов за счет обработки расплава комбинированными флюсами (Патент РФ № 2318029).

4. На основании исследований микроструктуры и фазовых составов новых АКС выявлена принципиальная возможность получения многофазных АКС с применением комплексного армирования эндогенными ("ПА13, "ПА1, "ПВ2, А1В2, "ПВ, "ПС и др.) и экзогенными (81С) фазами различной природы. Установлены оптимальные температурно-временные режимы получения

отливок многофазных комплексно армированных АКС, обеспечивающие формирование требуемых структуры и свойств литых заготовок: температура нагрева брикета перед вводом в расплав 110± 10 °С; температура расплава 825+10 °С; время выдержки композиции до разливки 15-20 мин.

5. Проведены исследования твердости образцов из многофазных АКС, которые показали, что твердость АКС возрастает с увеличением доли эндогенных и экзогенных армирующих фаз. В АКС на основе сплавов АК12 и Д16 максимальное упрочнение было достигнуто на образцах следующих составов: АК12+3%Т1+3,5%В4С(бзики)+5%81С(281.м и Д16+4%"П+ +3,5%В+5%81С(28мкм)-

6. Проведены исследования трибологических свойств новых многофазных комплексно армированных АКС на основе алюминия А99, сплавов АК12 и Д16. Установлено, что образцы АКС обладают более высокими триботехническими характеристиками (низкий коэффициент трения, высокие износо- и задиростойкость), чем матричные сплавы. Наилучшие результаты показали АКС на основе сплавов Д16 и АК12, комплексно армированные эндогенными (ПА1з, Т'|В2, "ЛБ^) и экзогенными ^¡С) фазами (композиция АI +[В4С+Т|1 С], соотношение В4С к 71 согласно стехиометрическим коэффициентам для получения 5%масс. Т1В2) следующих составов: АК12+3%Т'1+3,5%В4С(бзШм)+5%8'1С(28мкм) и Д16+4%Т1+ +3,5%В+5%81С(28„к„,.

7. Проведены исследования литейных свойств новых многофазных комплексно армированных АКС. Установлено, что жидкотекучесть комплексно армированных многофазных АКС зависит в первую очередь от объемной доли армирующих фаз, а во вторую - от температуры заливки АКС. Усадка АКС уменьшается с увеличением доли армирующих фаз в матричном сплаве. Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что для АКС вполне применима обычная гравитационная заливка при температуре 700-750 °С.

8. Проведены опытно-промышленные испытания изделий из многофазных АКС в узлах трения различного технологического оборудования. Применение АКС позволило увеличить в 4-5 раз межремонтные циклы профилактики оборудования и за счет снижения себестоимости изготовления подшипников скольжения в 3-3,5 раза обеспечить получение экономического эффекта до 30000 рублей на единицу оборудования, что свидетельствуют о перспективности и целесообразности использования АКС взамен традиционных медных сплавов в узлах трения скольжения в отраслях общего машиностроения, текстильной, авиационной, автомобильной, газо- и нефтедобывающей промышленности, железнодорожного транспорта.

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

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ: В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Панфилов, Ал.А. Трибологические характеристики алюмоматричных композиционных материалов, полученных in-situ процессом [Текст] / Ал.А. Панфилов, A.B. Панфилов, В.А. Кечин [и др.] // Литейщик России. - 2007. -№10. - С. 22-24. - ISSN 1684-1085.

2. Панфилов, Ал.А. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы, армированные эндогенными и экзогенными керамическими и ннтерметаллидными фазами [Текст] / Ал.А. Панфилов, A.B. Панфилов, В.А. Кечин [и др.] // Литейщик России. - 2008. - №7. - С. 60-64. - ISSN 1684-1085.

3. Панфилов, Ал.А. Композиционные материалы на основе алюминиевой матрицы, комплексно армированные эндогенными и экзогенными керамическими и интерметаллидными фазами [Текст] / Ал.А. Панфилов // Перспективные материалы. - №5 (спец. выпуск). - 2008. - С. 330-336. - ISSN 1028-978Х.

В других изданиях

4. Панфилов, Ал.А. Синтез новых комбинированных алюмоматричных композиционных материалов с использованием ¡n-s¡tu процесса [Текст] / Ал.А. Панфилов // XI Туполевские чтения: Всероссийская (с международным участием) молодежная научная конференция: Тез. докл. Том 1. Казань: Изд-во Казанского гос. техн. ун-та. - 2003. - С. 81. - ISBN 5-7579-0872-6.

5. Панфилов, A.B. Синтез новых алюмоматричных композиционных материалов с использованием in-situ процесса [Текст] / A.B. Панфилов, A.A. Панфилов И Проблемы машиностроения на современном этапе: материалы научно-технической конференции механико-технологического факультета / Владимирский государственный университет (ВлГУ); редкол.: В. В. Морозов [и др.]. — Владимир: Владимирский государственный университет (ВлГУ), 2003. — 109 е., С. 28-31. - ISBN 5-89368-425-7.

6. Панфилов, A.B. Структура и свойства дисперсно-упрочненных алюмоматричных композиционных материалов, полученных реакционным литьем [Текст] / A.B. Панфилов, A.A. Панфилов, Ал.А. Панфилов [и др.] // Труды VII съезда литейщиков России. Том 1. Общие вопросы. Черные и цветные сплавы. - Новосибирск, 2005. - С. 271-275. - ISBN 5-86272-120-9.

7. Панфилов, A.B. Синтез новых алюмоматричных композиционных материалов и их микроструктура [Текст] / A.B. Панфилов, A.A. Панфилов, Ал.А. Панфилов [и др.] // Прогрессивные литейные технологии: Тр. 3 Между нар. науч.-практ. конф. Под ред. Проф. М.В. Пикунова и проф. В.Д. Белова (МИСиС). - М.: ИД МЕДПРАКТИКА-М, 2005. - С. 224-228.

8. Панфилов, Ал.А. Исследование структуры и свойств новых комбинированных алюмоматричных композиционных материалов [Текст] / Ал.А. Панфилов И Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, посвященная 1000-летию города Казани: Материалы конференции. Том 1. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та. - 2005. - С. 120-121.-ISBN 5-7579-0872-6.

9. Бранчуков, Д.Н. Разработка технологии гетерофазного рафинирования алюминиевых сплавов [Текст] / Д.Н. Бранчуков, A.B. Панфилов, Ал.А. Панфилов [и др.] // Сб. научных трудов междунар. научн.-техн. конф. «Новые материалы и технологии в машиностроении». - Вып. 5. — Брянск: БГИТА, 2006. - С. 24-25. - ISBN 5-98753-031-Х.

10. Панфилов, A.A. Исследование трибологических характеристик алюмоматричных композиционных материалов, полученных реакционным литьем [Текст] / A.A. Панфилов, A.B. Панфилов, Ал.А. Панфилов [и др.] // Сб. научных трудов междунар. научн.-техн. конф. «Новые материалы и технологии в машиностроении». - Вып. 5. - Брянск: БГИТА, 2006. - С. 125-128.-ISBN 5-98753-031-Х.

11. Панфилов, A.A. Исследование трибологических характеристик алюмоматричных композиционных материалов, полученных in-situ процессом [Текст] / A.A. Панфилов, A.B. Панфилов, Ал.А. Панфилов [и др.] // Матер. 26 межд. конф. и выставки «Композиционные материалы в промышленности». - Ялта - Киев: УИЦ «Наука. Техника. Технология», 2006. - С. 342-344.

12. Панфилов, Ал.А. Исследование трибологических характеристик комбинированных алюмоматричных композиционных материалов [Текст] / Ал.А. Панфилов, В.А. Кечин, A.B. Панфилов [и др.] // Труды Межд. научно-техн. конф. «Высокие технологии и перспектива интеграции образования, науки и производства». Т.1. - Ташкент: МАН ВШ, 2006. - С. 342-345.

13. Петрунин, A.B. Синтез наноструктурированных композиционных материалов для производства деталей машиностроения [Текст] / A.B. Петрунин, Ал.А. Панфилов, Д.Н. Бранчуков // Индустрия наносистем и материалов. Матер. Всероссийской конф. инновационных проектов аспирантов и студентов - М.: МИЭТ, 2006. — С. 171-174.

14. Панфилов, Ал.А. Синтез, исследование структуры и свойств новых комбинированных алюмоматричных композиционных материалов / A.A. Панфилов // XVI11 Международная Интернет-конференция молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС пробмаш 2006). Москва, 27 -29 декабря 2006г. [Электронный ресурс].

15. Панфилов, Ал.А. Исследования литых свойств комбинированных алюмоматричных композиционных материалов [Текст] / Ал.А. Панфилов // Матер. 27й Межд. научно-практич. конф. и выставки «Композиционные материалы в промышленности». - Ялта — Киев: УИЦ «Наука. Техника. Технология», 2007. - С. 20-22.

16. Панфилов, A.B. Исследование структуры и свойств литых алюмоматричных композиционных материалов композиционных материалов с микро- и наноразмерными упрочняющими фазами [Текст] / A.B. Панфилов, Петрунин, Ал.А. Панфилов // Труды VIII съезда литейщиков России. Т.1, «Чёрные и цветные сплавы». - Ростов-на-Дону, 2007. - С. - 220-228.

17. Панфилов, A.A. Новый метод синтеза, исследование структуры и свойств металломатричных композиционных материалов, армированных

наноразмерными фазами [Текст] / A.A. Панфилов, A.B. Петрунин, Ал.А. Панфилов // Труды Владимирского государственного университета. — Владимир: Владимирский государственный университет (ВлГУ), 2006. -Вып. 3: Физико-математические основы индустрии наносистем и материалов / гл. ред. В. А. Немонтов; зам. гл. ред. В. Н. Ланцов; отв. ред. вып. В. Г. Прокошев. — 2007. — 82 е., С. 24-31. — ISBN 978-5-89368-830-6.

18. Панфилов, Ал.А. Исследование фазового состава алюмоматричных композиционных материалов, полученных in-situ процессом [Текст] / Ал.А. Панфилов // Материалы 28 Межд. научно-практич. конф. «Композиционные материалы в промышленности». - Ялта - Киев: УИЦ «Наука. Техника. Технология», 2008,- С. 14-15.

19. Панфилов, Ал.А. Разработка и применение алюмоматричных композиционных материалов, полученных in-situ процессом [Текст] / Ал.А. Панфилов // Матер, междунар. конф. / молодежной школы-семинара «Современные нанотехнологии и нанофотоника для науки и производства». -Владимир, 2008. - С. 62-63. - ISBN 978-5-89368-963-1.

20. Панфилов, Ал.А. Алюмоматричные композиционные материалы: структура, свойства и применение [Текст] / Ал.А. Панфилов, A.B. Панфилов, В.А. Кечин [и др.] // Известия Международной Академии наук высшей школы. - №4(46), 2008. - С. 155-162. ISSN 1815-0624.

21. Панфилов, A.A. Новые алюмоматричные композиционные материалы триботехнического назначения для ответственных деталей машиностроения [Текст] / A.A. Панфилов // Матер IV межотраслевой научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых с международным участием «Вооружение. Технология. Безопасность. Управление». - Ковров: ГОУ ВПО КГТА, 2009. - С. 55-64. - ISBN 978-5-86151-345-6.

22. Пат. 2323991 Российская Федерация, МПК5 С 22 С 1/10, С 22 С 21/00. Литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава и способ его получения [Текст] / Панфилов A.B., Бранчуков Д.Н., Панфилов Ал.А. [и др.] ; заявитель и патентообладатель ИМЕТ им. A.A. Байкова РАН. - № 2006133845/02 ; заявл. 22.09.2006 ; опубл. 10.05.2008, Бюл. №13.-5 с.

23. Пат. 2318029 Российская Федерация, МПК3 С 22 В 9/10, С 22 С 1/06. Способ рафинирования алюминиевых сплавов [Текст] / Панфилов A.B., Бранчуков Д.Н., Панфилов Ал.А. [и др.] ; заявитель и патентообладатель ИМЕТ им. A.A. Байкова РАН. - № 2006123011/02 ; залвл. 28.06.2006 ; опубл. 27.02.2008, Бюл. №6.-5 с.

Подписано в печать 26.05.11. Формат 60x84/16. Усл. печ. л.1,16. Тираж 100 экз.

Заказ №-¿0//* Издательство Владимирского государственного университета 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ РАЗВИТИЯ

ЛИТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ СПЛАВОВ С

МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ.

1.1 Общие характеристики композиционных сплавов

1.2 Анализ современных способов получения КС и их свойств.

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

1.4 Взаимодействие между компонентами в композиционных сплавах.

1.5 Выводы и постановка задач исследований.

ГЛАВА 2 МЕТОДИКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АКС И

ИССЛЕДОВАНИЯ ИХ СВОЙСТВ.

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

2.2 Оборудование, оснастка и технология получения

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

2.2.2 Методика получения АКС на лабораторной установке.

2.3 Методики исследования структуры АКС и их фазового состава.

2.4 Методика измерения твёрдости образцов.

2.5 Методика проведения трибологических испытаний.

2.6 Методики исследования литейных свойств КС.

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ

ОТЛИВОК ИЗ АЛЮМОМАТРИЧНЫХ

КОМПОЗИЦИОННЫХ СПЛАВОВ.

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

3.2 Термографический анализ многофазных АКС.

3.3 Исследование структуры и фазового состава отливок из АКС.

3.3.1 Исследование структуры АКС.

3.3.2 Микрорентгеноспектральный анализ образцов

3.3.3 Исследование фазового состава АКС.

Выводы.

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ОТЛИВОК ИЗ АЛЮМОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ СПЛАВОВ.

4.1 Исследование твёрдости АКС.

4.2 Исследование триботехнических характеристик

4.3 Исследование литейных свойств АКС.

Выводы.

ГЛАВА 5 ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

РАБОТЫ.

5.1 Опытно-промышленная апробация результатов работы.

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

Выводы.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

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

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

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

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

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

Научная новизна работы:

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

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

Практическая ценность:

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

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

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

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

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

Личный вклад автора состоит в теоретическом обосновании поставленных задач, проведении экспериментальных исследований, анализе полученных результатов и их обобщении.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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