WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

  1. Курганова Юлия Анатольевна

Разработка и применение дисперсно упрочненных алюмоматричных композиционных материалов в МАШИНОСТРОЕНИИ

Специальность 05.16.06 –

Порошковая металлургия и композиционные материалы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва - 2008

      1. Работа выполнена в Институте металлургии и материаловедения
      2. им. А.А. Байкова Российской академии наук,
      3. ОАО «УТЕС», ООО «Пластметпроект»,
      4. Ульяновском государственном техническом университете

Научный консультант доктор технических наук, профессор Чернышова Татьяна Александровна

               

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, член корреспондент РАН

  Баринов Cергей Миронович

доктор технических наук, профессор  Герасимов Сергей Алексеевич

доктор технических наук, профессор  Ушаков Борис Константинович

  Ведущая организация: ОАО «Композит» г. Королев, Московская область

Защита состоится 19 ноября 2008 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 002.060.02 при Институте металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова Российской Академии наук по адресу:119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинский проспект, 49, ИМЕТ, большой конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН.

Автореферат разослан  « ____ » ________ 2008  г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

профессор, д.т.н.  А.Е Шелест

       



Актуальность проблемы. В современных условиях развития промышленного производства России остро стоит проблема улучшения качества продукции и повышения потребительского спроса. Причиной выхода из строя 70% механизмов и  машин является износ подвижных сопряжений и рабочих органов под влиянием сил трения. Процессы, протекающие в трибосопряжениях, лимитируют срок эксплуатации изделий. Номенклатура традиционно используемых в условиях трения материалов часто оказывается недостаточной для обеспечения комплекса многочисленных и часто противоречивых требований. Рынок заставляет производителей решать задачи улучшения прочностных и эксплуатационных характеристик трибосопряжений при минимальных финансовых вложениях, т.е. проводить активный поиск новых износостойких и дешевых материалов и экономичных методов их изготовления.

       Современными исследованиями в области трения и изнашивания, в частности, в работах А.В.Чичинадзе, Н.А.Буше, В.В.Копытько, Л.М.Рыбаковой, Б.М.Асташкевича и др. показано, что материалы для трибосистем должны обеспечивать условия динамического равновесия, т.е. с одной стороны, согласно трибологическому подходу, должны быть совместными и обнаруживать структурную приспосабливаемость; с другой - согласно макрогеометрическому подходу - надежная работа трибосопряжений не возможна без стабильности макрогеометрических характеристик соответствующих деталей.

       Перспективным направлением решения проблем, связанных с повышением износостойкости, является применение в трибосопряжениях композиционных материалов (КМ), что требует развития  и  освоения технологий их получения, а также методов обеспечения оптимального комплекса механических и технологических свойств для разнообразных условий эксплуатации.

В настоящее время во всем мире активизируются исследования, направленные на разработку и более широкое практическое применение металломатричных КМ. Наиболее дешевыми и надежными являются композиты на основе алюминиевых сплавов, армированных тугоплавкими, высокопрочными, высокомодульными частицам. Среди отличительных свойств таких КМ можно выделить широкие функциональные и технологические возможности,  повышенную износостойкость, высокие прочность, жесткость и вязкость, малую плотность, что обеспечивает снижение массы изделий с одновременным повышением надежности и увеличением ресурса работы.

Однако, несмотря на все преимущества, до настоящего времени отсутствуют рекомендации по разработке технологических процессов  производства изделий из дисперсно упрочненных алюмоматричных КМ для заданных конкретных условий эксплуатации при обеспечении оптимального комплекса механических и эксплуатационных свойств.        Не определены номенклатура трибосопряжений и условия их работы, при которых проявляются преимущества КМ перед традиционными материалами. Не выявлены факторы, способствующие формированию потребительских свойств изделий из КМ.

Таким образом, разработка научно-обоснованных технологических и технических решений в области производства литых дисперсно упрочненных изотропных КМ и их промышленного применения представляют собой актуальную задачу.

Работа выполнена в рамках Программ фундаментальных исследований  Президиума РАН в 2004-2008 гг, гранта РФФИ 05-03-32217 и гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых – кандидатов наук  - МК-3265.2006.8.

Целью настоящего исследования явилась разработка технологий, обеспечивающих создание КМ триботехнического назначения с заданным уровнем свойств для удовлетворения потребительских запросов;  опробование дискретно армированных КМ с алюминиевыми матрицами в реальных трибосопряжениях, оптимизация на базе экспериментальных данных и стендовых испытаний структуры, свойств и методов изготовления КМ триботехнического назначения.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие основные задачи:

  1. Анализ структуры, механических и технологических свойств дисперсно-упрочненных КМ на основе алюминиевых сплавов с целью изготовления деталей триботехнического назначения.
  2. Оценка влияния условий трибологического нагружения (усилий, скорости скольжения, наличия смазки и др.) на трение и износ КМ.
  3. Разработка высокоэффективных технологических процессов для изготовления композиций заданного кода армирования с требуемыми свойствами, в том числе биметаллических композиций КМ/сталь.
  4. Исследование возможностей получения наноструктурированных КМ при интенсивной пластической деформации или при комбинировании различных методов изготовления и обработки КМ.
  5. Опробование КМ «алюминиевые сплавы – дисперсные армирующие частицы» в трибосопряжениях лабораторных установок, при проведении стендовых испытаний и в реальных узлах механизмов и машин.
  6. Уточнение номенклатуры изделий триботехнического назначения, где целесообразна замена традиционных материалов на КМ.
  7. Выявление общих закономерностей поведения дисперсно армированных КМ при эксплуатации в узлах подвижных сопряжений. Корректировка составов КМ для изделий триботехнического назначения.

Научная новизна:        

       - Осуществлен научный поиск новых материалов, нацеленный на достижение технического результата – повышения работоспособности узлов трения-скольжения.

- Впервые обоснована теоретически и экспериментально подтверждена возможность применения литых композиционных материалов системы алюминиевые сплавы - частицы керамики в узлах трения механизмов и машин в паре со сталью в условиях трения скольжения без смазки, с ограниченной смазкой и в паре КМ-КМ при трении скольжения со смазкой.

- Выявлены закономерности влияния структурных факторов и условий работы трибосопряжения на процессы трения и износа КМ состава «алюминиевые сплавы – частицы карбида кремния». Показано, что пара КМ-сталь имеет преимущества перед парой бронза-сталь по значениям износа, выдерживаемой нагрузке, стабильности коэффициента трения в рабочем режиме, а также устойчивости значений последнего при возрастании нагрузки. Увеличение размера и объемного содержания частиц  в матрице снижает износ деталей из КМ, однако увеличивает износ сопряженного контртела и коэффициент трения. Показана необходимость оптимизации размера и объемного содержания частиц в КМ по условиям эксплуатации. Установлено, что лучшую износостойкость имеют КМ с матрицей из высокопрочных алюминиевых сплавов. Проведение термообработки на старение КМ на базе дисперсионно твердеющих алюминиевых матриц увеличивает износостойкость КМ. Добавка в КМ системы А1-SiC частиц графита, выполняющего роль сухой смазки, обеспечивает повышение износостойкости и расширяет диапазон трибонагружения.

  • Показаны возможности повышения износостойкости деталей из КМ за счет пластического деформирования и термомеханической обработки, а также за счет использования специальных видов литья (центробежное).
  • Расширены представления о процессе изнашивания КМ в паре со сталью и сформулированы условия оптимальной работоспособности узла трения, в состав которого входит КМ.
  • Показана целесообразность замены алюмоматричными дисперсно наполненными КМ традиционных антифрикционных материалов (бронз, латуней, алюминиевых антифрикционных сплавов) в ряде ответственных узлов машиностроения.
  • Оптимизированы технология изготовления и материалы пар трения, в которых предполагается применение КМ.
  • Намечены узлы из номенклатуры деталей машиностроения и транспорта, в которых целесообразна замена традиционных материалов на КМ.

Практическая значимость:

       На основе экспериментально полученной информации и выявленных закономерностей при испытаниях на трение и износ определены оптимальные условия получения КМ с максимальными значениями триботехнических характеристик. Результаты научных исследований реализованы в реальных

изделиях и конструкциях. Дисперсно армированные КМ различных составов на основе алюминиевых сплавов (литейные, деформируемые упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой, твердые растворы, ковкие и высокопрочные), а также полиармированные и слоистые композиции опробованы при различных условиях трения. Полученные результаты исследований позволили разработать рекомендации по использованию КМ системы «алюминиевые сплавы - твердые частицы керамики» как в действующих узлах трения, так и в проектируемых.

       Рекомендации переданы предприятиям ОАО «Утес», ООО «Нитон», ООО «Радиомир», ООО «Проект.Нэт», ООО «Симбирские коммуникации», ООО «Инфоком», ООО «Пластметпроект»,  ОАО «Научно-исследовательский» институт авиационной технологии и организации производства», что подтверждено соответствующими актами.

На базе ООО «Пластметпроект», г.Ульяновск, введен в эксплуатацию литейный участок по изготовлению дисперсно упрочненных КМ на основе алюминиевых сплавов. Спроектировано и изготовлено оборудование для механического легирования композиционных порошков. Получен патент на полезную модель «Устройство для механического легирования материалов на основе цветных сплавов частицами керамики» (Патент № 67902 от 10 ноября 2007 г).

Разработана технология получения таблетированных армирующих брикетов с повышенной концентрацией армирующего компонента (35-60%) и сухих смазок (графита), что открывает реальную возможность изготовления деталей из КМ на основе алюминиевых сплавов на промышленных предприятиях, располагающих мощностями для литья традиционных алюминиевых сплавов.

Спроектирована и изготовлена оснастка, подобрано оборудование для получения таблетированных армирующих брикетов. Организован участок по изготовлению армирующих брикетов (Акт пуска участка на базе лаборатории «Штамповка» кафедры «Материаловедение и ОМД» Ульяновского государственного технического университета).

Разработаны технологии изготовления деталей из КМ в условиях промышленного производства. В натурных условиях опробованы и успешно применяются детали из КМ составов АК12+5%SiС(28)+2,5%С(400),  В124+8%Si3N4(3-5), АК9+4%SiC(28), А99+10%Ti+5%SiC(28), АЛ25+3,5%SiC(28), АК9+5% SiC(28)+1,25%С(400) и АК12+5% базальта в узлах: Компрессор автомобильный КПА-1, двигатель станка токарного высокой точности с числовым программным управлением типа ТПК-125ВН1, клапан управления механизмом регулирования фаз КУМРФ системы газораспределения автомобиля, синхронизатор коробки передач автомобиля, узел рейки рулевого управления автомобиля NissanQМах, дисковые ножницы раскройного комплекса ДИН-600, устройство амортизатора задней подвески. В стадии разработки находятся втулка свертная ОСТ 1.10289-78, втулки авиационного компрессора АК-50, рабочие части поршневой пары насоса ножного НВН-1, кольца двигателя внутреннего сгорания. Некоторые изделия продолжают эксплуатироваться и после испытаний.  При замене традиционных материалов на КМ достигнуто увеличение срока службы,  снижение веса и стоимости.

Получены неразъемные биметаллические соединения КМ (АМг1+2,5%SiC3, АМг1+5%SiC28, Д16+5%SiC28) со сталью и с алюминиевыми сплавами диффузионной сваркой и прокаткой. Биметаллические заготовки предназначаются для изготовления упорных колец, вкладышей, полувкладышей подшипников и других аналогичных изделий.

Экономическими расчетами доказана целесообразность применения КМ в составе пар трения в промышленных масштабах. Показано, что по эксплуатационным, технологическим и финансовым показателям КМ рассматриваемых систем превосходят материалы, традиционно используемые в аналогичных узлах, и могут являться их альтернативными заменителями.

Создана электронная база данных КМ на основе алюминиевых сплавов с предоставлением комплекса механических и эксплуатационных свойств. Программа может расширяться по мере накопления данных, и при достижении определенного объема экспериментальных данных будет пригодна для выстраивания эмпирических зависимостей с целью определения свойств расчетным путем.

       Работа по замене традиционных материалов на КМ деталей и узлов проблемных механизмов самых разнообразных назначений, анализ их работоспособности позволили выявить основные преимущества КМ перед традиционными материалами:

- возможность целенаправленного регулирования  комплекса свойств, максимально удовлетворяющих требованиям потребителя;

- возможность изготовления функционально армированных деталей, в том числе более экономичных слоистых композиций с рабочим слоем из КМ;

- обеспечение высокой надежности при эксплуатации;

- снижение веса конструкций;

- значительное уменьшение себестоимости.

Достоверность результатов и выводов диссертации обеспечена использованием современных методов исследования. Интерпретация результатов испытаний базируется на современных представлениях о структуре и свойствах гетерофазных материалов, механизмах трения и изнашивания. Теоретические положения согласуются с экспериментальными данными, в том числе с результатами исследований других авторов и подтверждены успешной реализацией разработанных методик  и технологий в производстве деталей из КМ.

Методы исследований, использованные в работе:

- Методы световой микроскопии;

- Методы электронной микроскопии;

- Рентгеноспектральный, рентгенофазовый анализ;

- Методы механических и коррозионных испытаний.

Оценку технологических свойств осуществляли согласно стандартным методикам. Лабораторные испытания на трение проводили на машинах трения МИ-1М, МТУ-1, УМТ-1 и СМТ1 2070. Экспериментальные исследования проводили в исследовательских (Ульяновский государственный технический университет, ИМЕТ им. А.А.Байкова РАН, Ульяновская сельскохозяйственная академия) и заводских (ОАО «УАЗ», ОАО «УТЕС») лабораториях. Стендовые испытания проводили согласно технологическим рекомендациям и техническим условиям на изделие. Большую часть изделий подвергали натурным испытаниям; некоторые из них находятся в эксплуатации и в данное время.

Вклад соискателя. Личное участие автора выразилось в постановке задач исследований,  получении основных научных результатов; проведении работ по выбору оптимального состава трибоузлов, анализу механизмов изнашивания КМ и выбору состава материала в соответствии с условиями трибонагружения; разработке технологий изготовления деталей из КМ; разработке научно обоснованных рекомендаций к использованию КМ в реальных узлах трения; уточнении номенклатуры изделий машиностроения и транспорта, где целесообразна замена традиционных материалов на КМ.

Апробация работы. По теме диссертации опубликованы 60 печатных работ, в том числе 11 статей в рекомендованных ВАК РФ журналах, 12 учебных пособий и 1 полезная модель. Общее количество публикаций диссертанта – 72 (включающих работы по материаловедению, термодинамике и методическому обеспечению учебного процесса). Основные результаты работы доложены на _35_ конференциях и совещаниях, в том числе: на Всероссийской научно-технической конференции «Технология и оборудование современного машиностроения» (г. Уфа, 1998г.), Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ - 98» (г. Москва, 1998г.), Международной конференции «Математическое моделирование физических, экономических, социальных систем и процессов» (г. Ульяновск, 1999г.), Международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации» (Кацивели, 2000г.), Международной научной конференции «Молодежь – науке будущего» (г. Набережные Челны, 2000г.), XXII Российской школе по проблемам науки и технологии (Миасс, 2002г.), Заочной молодежной научно-технической конференции «Молодежь Поволжья – науке будущего» (г. Ульяновск, 2003г.), Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения и транспорта» (г. Ульяновск, 2003г.), ХХIV и ХХVII международных конференциях «Композиционные материалы в промышленности» (г. Ялта, 2004 и 2007гг), Международной заочной научно-технической конференции «Актуальные вопросы промышленности и прикладных наук» (г. Ульяновск, 2004г.), 4 Международной научно-технической конференции «Автомобиль и техносфера» (г. Казань, 2005г.), Международной заочной молодежной научно-технической конференции ЗМНТК-2005 (г. Ульяновск, 2006г.), Всероссийском Совещании материаловедов России (г. Ульяновск, 2006г.), Международной конференции «Deformation and fracture of materials – DFM 2006» (г. Москва, 2006г.), Научно-практической конференции материаловедческих обществ России «Новые градиентные и слоистые композиты» (г. Ершово, 2006г.), Научно-технических конференциях  УлГТУ 1997, 1999, 2005, 2007, 2008 гг., Второй Всероссийской конференции по наноматериалам, совместно с 4 Международным научным семинаром «Наноструктурные материалы - 2007» (г. Новосибирск, 2007г.), Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование ОМД» (г. Ульяновск, 2007г.), Международной конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения» (г. Волгоград, 2007г.), Международном симпозиуме им. А.Г.Горшкова «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» (г. Ярополец, 2007, 2008гг.).

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 243 страницах основного текста, состоит из введения и 6 глав, содержит 68 рисунков и фотографий, 43 таблицы. Список литературы включает 214 наименований. Приложения составляют 40 страниц.        

Основное содержание работы

Применение металломатричных КМ, армированных дисперсными частицами керамики, взамен традиционных конструкционных материалов позволяет производителям механизмов и машин перейти на качественно более высокий технический уровень. При создании КМ возможно направленное регулирование прочности, жесткости, износостойкости, диапазона трибонагружения, рабочих температур и других механических и эксплуатационных свойств путем подбора состава, изменения соотношения  компонентов и методов изготовления. Разработка и внедрение композиционных материалов позволяет найти пути решения проблемы износа трущихся деталей узлов и механизмов.

  1. ДИСКРЕТНО АРМИРОВАННЫЕ ИЗОТРОПНЫЕ КОМПОЗИТЫ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Среди научных принципов повышения прочности металлических конструкционных материалов важное место занимает формирование гетерофазных структур, содержащих высокопрочные дисперсные фазы. Развитием данного теоретического направления явилось создание особого класса новых гетерофазных материалов - композиционных материалов (КМ), состоящих, как правило, из пластичных связующих (матриц) и высокопрочных наполнителей (дисперсных фаз). Оптимальным образом выбранные компоненты матрицы и армирующего наполнителя, технологии совмещения и обработки позволяют реализовать высокие характеристики исходных компонентов и образовать материал, отвечающий конкретным условиям работы конструкции.

       Потребности современного производства и динамика научно-технического прогресса определяют перспективность применения КМ. Сведения об использовании дисперсно упрочненных алюмоматричных композиционных материалов в отечественных и зарубежных разработках, проведенный анализ научно-технической и патентной литературы показывают, что в настоящее время накоплен некоторый опыт использования КМ систем «алюминиевые сплавы – тугоплавкие, жаропрочные, твердые частицы» как триботехнического материала.

Выделены преимущества дисперсно упрочненных КМ перед традиционными материалами. К ним относятся: оптимальное сочетание прочности и пластичности, высокая износостойкость, удовлетворительная технологичность. Материалы сочетают в себе комплекс ценных механических свойств с требуемыми эксплуатационными, обладают в 2,5 и 3 раза меньшей  плотностью, чем стали и бронзы. В результате обеспечивается формирование  комплекса свойств, максимально приближенного к требуемому; возможность изготовления  как структурно однородных изотропных деталей, так и функционально армированных и слоистых композиций; надежность при эксплуатации; снижение веса конструкций; значительное уменьшение себестоимости изделий.

На основе  литературного обзора определены области основных применений КМ – триботехнические пары (фрикционного и антифрикционного назначения), детали конструкций, работающих в экстремальных условиях.

Выполнен обзор наиболее перспективных технологий, применимых для изготовления КМ на основе алюминиевых сплавов. Оценены их положительные стороны и недостатки, отмечена специфика этих технологий. Основные способы совмещения алюминиевых матриц с дисперсной упрочня­ющей фазой следующие:

  • твердофазное или жидкотвердофазное компактирование порошковых сме­сей, в том числе подготовленных механичес­ким легированием;
  • литейные технологии пропитки пористых каркасов из порошков или коротких волокон или механического замешивания наполнителей в металлические расплавы;
  • газотермическое напыление композиционных смесей.

       Из­готовление КМ в присутствии жидкой фазы возможно при условии смачивания наполнителей расплавами или приме­нения внешнего принудительного давления. Смачивание обеспечивает непрерывный фи­зический контакт между фазами, необходи­мый для достижения прочных адгезионных связей. Наи­более технологичным и дешевым методом является литье с механическим замешива­нием наполнителя в матричные расплавы.

       В зависимости от предъявляемых требований можно создать жаропрочные, коррозионностойкие, антифрикционные или фрикционные КМ. Целенаправленное регулирование свойств КМ достигается за счет выбора матричных сплавов с различным уровнем прочности и пластичности, введения в матрицу наполнителей различной природы, изменения их объемного содержания и размера, последующей термической или термомеханической обработки КМ. Одним из способов повышения свойств КМ является улучшение распределения армирующего наполнителя в матрице. С этой целью матрицу

легируют элементами, способствующими смачиванию частиц наполнителя матричными расплавами; или на поверхность частиц наполнителя наносят технологические (улучшающие смачиваемость) покрытия; или проводят технологическую обработку композиционных суспензий, например ультразвуком с последующей кристаллизацией под давлением; или осуществляют пластическое деформирование композиционных отливок.

Трибологические свойства материалов (коэффициент трения, интенсивность изнашивания) в значительной степени зависят от структурного состояния слоев, формирующихся на контактной поверхности в процессе трения. Локализованная вблизи поверхности трения интенсивная пластическая деформация и фрикционный нагрев обусловливают образование в зоне фрикционного контакта активного переходного слоя. Тонкий слой (порядка 10 мкм), примыкающий непосредственно к поверхности трения, имеет ультрадисперсное строение. Появление такой структуры связано со сменой основных механизмов пластической деформации при трении - от скольжения и двойникования к ротационному посредством относительных разворотов фрагментов структуры и механического перемешивания. Фрикционный нагрев способствует появлению в переходных слоях оксидных соединений и новых фаз. Образуясь в начальный период трения и сохраняя устойчивость, переходные слои выполняют защитную роль и определяют трибологическое поведение материала на этапе стабильного трения.

С позиций синергетики условия трибонагружения, приводящие к смене механизмов изнашивания и задиру образцов, следует рассматривать как точки бифуркации, или перехода от одного уровня неравновесности к другому. Количественное содержание армирующего компонента и прочность связи частица/матрица в данном случае играет определяющую роль в трибологическом поведении КМ. При армировании матрицы твердыми частицами наблюдается изменение характера циклических реакций "окисление–восстановление". Возможно разрушение межфазных связей частица/матрица, дробление и перераспределение частиц, механическое легирование поверхностных слоев, приводящее к образованию "третьего тела", в состав которого входит не только материал матрицы и армирующего компонента, но и продукты взаимодействия последнего с матрицей и контртелом. Возникновение в трибоконтакте КМ/контртело переходного слоя, или "третьего тела", значительно более сложного по структуре и составу, чем в традиционных трибопарах, обусловливает такие синергетические эффекты, как расширение интервала стабильного трения, рост критических контактных нагрузок и температур, при которых происходит смена режимов изнашивания от мягкого к интенсивному и схватыванию.

Механика и трибология композитов находится в стадии развития и становления. Составляющие ее разделы разработаны с разной глубиной, и многие вопросы еще далеки до завершения. Обсуждены факторы, сдерживающие масштабное внедрение КМ, несмотря на очевидные преимущества перед традиционно используемыми материалами. Разработка доступных для массового производства технологий изготовления изделий из КМ и их эксплуатация обеспечат новый уровень понимания механизмов изнашивания КМ и позволят сформулировать основные требования к составу для безызносного трения.

Возросшая потребность в легких материалоемких машинах и механизмах, обеспечивающих экономное энергопотребление, является мощным стимулом для развития КМ на алюминиевой основе. Творческий коллектив Лаборатории прочности и пластичности металлических и композиционных материалов  Института металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова РАН более 20 лет проводит работы по изучению состава, свойств и взаимодействия металлических матриц с армирующими наполнителями, а также по разработке технологий изготовления дисперсно наполненных алюмоматричных КМ (работы М.Х. Шоршорова, Т.А. Чернышовой, Л.И. Кобелевой, И.Е. Калашникова и др.). Свойства и особенности технологий производства и эксплуатации КМ обсуждены в работах Б.И. Семенова, А.А. Нуждина, П.З. Горбунова, Э.С. Астрощенко и др. Заметный вклад в развитие литейной технологии изготовления КМ на основе алюминиевых сплавов внесла исследовательская группа под руководством А.В. Панфилова (Владимирский государственный университет). Технологиям изготовления деталей с композиционными покрытиями, армированными микро- и нанопорошками керамики, посвящены работы В.С. Лагунова, В.В. Рудневой. Среди зарубежных исследователей особый вклад в создание теории и технологии КМ внесли Mitra R., Mahagan Y.R., Surappa М.К., Mortensen А. (способы производства и анализ процессов взаимодействия при жидкофазном совмещении разнородных компонентов), Rohatgi P., Murphy A.M. (вопросы распределения армирующих наполнителей в матрице и их влияния на свойства литых КМ, полиармирование), Kim T.S. (поведение КМ при пластической и термообработке), Das S. (модифицирущее влияние добавок на структуру КМ), Hosking F.M., Axen N., Sannino A.P., Hunt M., Hutchings I.M. (поведение КМ в условиях трения, оценка износостойкости) и другие ученые.

Из анализа названных работ следуют задачи настоящего исследования.

II. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследуемые материалы представлены в таблице 1. В качестве матриц КМ опробованы литейные сплавы АК12, АК9, АК12М2МгН (ГОСТ 1583-93); термически упрочняемый сплав Д16 (ГОСТ 7484-74); сплав, представляющий собой твердый раствор повышенной пластичности – АМг1 (ГОСТ 21631-76); жаропрочные сплавы АК4, В124 (ГОСТ 11069-89). Выбор материала  матриц обусловлен задачам исследования влияния состава и механических свойств связующих на технологичность и трибологическое поведение КМ.

Добавление в матрицу керамических частиц повышает жесткость, жаропрочность и размерную стабильность КМ,  улучшает  триботехнические характеристики. Оптимальным материалом для армирования алюминиевых сплавов является карбид кремния  зеленый – SiC (ГОСТ 26327-84). Его плотность лишь незначительно выше плотности матрицы (3,2 г/см3 по сравнению с 2,64 - 2,78 г/см3 у алюминиевых сплавов). SiC обладает высокими модулем упругости (350-490 ГПа) и прочностью (0,4-1,4 ГПа). Помимо частиц SiC размером 3, 28, 14, 40 мкм опробованы в качестве армирующих компонентов частицы Al2O3 (40 мкм) и Si3N4 (3-5 мкм), TiB2 (40 мкм), а также короткие волокна базальта (диаметр 30 мкм, длина 150 мкм) и графит (63-100 и 400мкм).        

Опробованы наиболее перспективные способы получения дисперсно упрочненных материалов на алюминиевой основе, как однородных, так и слоистых (рис. 1).

Таблица 1.

Химический состав исследуемых материалов

N

п\п

Базовый сплав

Химический состав матрицы, вес. %

Наполнитель,

мкм, вес. %

Cu

Mg

Mn

Si

Fe

Деформируемые не упрочняемые термообработкой

1

АМг-1





<0,01

1,2

-

<0,05

<0,05

5%SiC28*

2

2,5%SiC3

Литейные сплавы

3

АК12

(АЛ2)

-

-

-

10 - 13

0,8-1,5

2,5%SiC3

4

15%SiC14

5

5%SiC28

6

5%SiC28+ 2,5%С400

7

5%SiC28+5%TiB2

8

5%Al2O3(40)+2,5%C 63-100

9




5%Базальт

10




10%Al2O3 (40)

11




10%Al2O3 (40)+2,5%С400

12




10%SiC28 +5%С400

13

АК12М2МгН

(АЛ25)

1,5 - 3

0,3 – 0,6

0,8 – 1,3

11 - 13

Ni

0,8-1,3

2,5%SiC3

14

2,5%SiC14

15

3,5%SiC28

16

5%SiC14

17

5,6%SiC28

18

АК9

0,2-0,5

0,2-0,5

6-8


4%SiC28

19

5%SiC28 + 1,25%C 63-100

Деформируемые упрочняемые термообработкой

20

Д16

3,8 - 4,8

1,2 – 1,8

0,3 - 0,9

<0,5

<0,5

2,5%SiC3

21

5%SiC28

22

15%SiC28

23

30%SiC28

24

+3% Ti

15%SiC28+7,5%Al3Ti

Высокопрочные, жаропрочные

25

В124

Ti

0,1-0,3

0,14-,35

0,1 - 0,3

8 – 11

≥ 0,3

5%SiC28

26

10%SiC40

27

8%Si3N4(3-5)

28

АК4

1,9-2,5

1,4-1,8

0,2

0,5-1,2

Fe1%

Ni1%

10%SiC28

29

15%SiC28

Технический алюминий

30

A99

+ 3% Ti

5%SiC28+7,5,%Al3Ti

31

+10%Ti

5%SiC28+30%Al3Ti

       

* - размер частиц, мкм.

Рис. 1. Способы получения дисперсно упрочненных материалов

       Как уже было отмечено, жидкофазное из­готовление КМ возможно при условии смачивания наполнителей расплавами или приме­нения внешнего принудительного давления. Смачивание обеспечивает непрерывный фи­зический контакт между фазами, необходи­мый для достижения прочных адгезионных связей.

       Литейные технологии наиболее перспективны из–за простоты технологического процесса, минимальной величины припусков на механическую обработку, малого времени подготовки производства новых изделий.

Разработаны технологические процессы получения КМ методом механического замешивания частиц  расплав с последующим литьем в сухие песчано-глиняные формы, в кокиль и литьем под давлением. Армирующий наполнитель может быть замешан в расплав или заранее помещен в литейную форму в виде  каркаса.

Одним из наиболее распространенных жидкофазных методов является механическое замешивание. Технологичес­ки значимыми параметрами являются кон­струкция установки для замешивания; режимы  замешивания и  затвердевания  (температуры расплава и предварительного на­грева частиц, скорость вращения импеллера и скорость подачи частиц, длительность за­мешивания и выдержки композиционной смеси перед разливкой, скорость кристалли­зации. Ка­чество получаемых при этом КМ (распреде­ление армирующего наполнителя, уровень межфазной связи, наличие продуктов взаи­модействия и пр.) зависит от смачивания на­полнителя матричным расплавом, условий замешивания и последующей обработки. Качество КМ может быть повышено при использовании метода лигатур. При этом на первой стадии изготавливают литой полуфабрикат композиционного материала с содержанием частиц  10-20 о6. % и более. Затем этот концентрат добавляют при плавке в шихту, снижая разбавлением матрицей объемную долю частиц до 3-6 об. %.

Этот метод позволяет получить КМ с однородным распределением наполнителя и высоким уровнем связи на поверхности раздела частица/матрица.

Одним из вариантов жидкофазного изготовления КМ на алюминиевой основе может быть метод компрессионного литья с использованием специально изготовленных прессформ (pressure infiltration of preform). Этот метод применяют преимущественно при получении высокоармированных и градиентных КМ. Отрицательными моментами в этом случае являются дороговизна процесса и ограничения по форме отливок.

В последние годы часто применяют метод in-situ, или реакционного литья, при котором наполнитель синтезируется между исходными компонентами  непосредственно в процессе изготовления КМ. Кристаллы интерметаллидов, формирующиеся в экзотермических реакциях in-situ между алюминием и реакционно активными добавками металлов, идентифицируются при микрорентгеноспектральном анализе преимущественно как Al3Х, где Х – металл из ряда Тi, Zr, Ni, Fe, Co и др. Полученные реакционным литьем КМ характеризуются максимальным уровнем связи по поверхностям раздела, термической стабильностью, лучшими распределением и дисперсностью армирующих фаз.

В настоящее время в современную металлургию алюминиевых сплавов внедряется прогрессивный метод легирования таблетками или порошковыми брикетами (ПБ). Для КМ разработан метод изготовления композиционных порошковых брикетов. Эмпирическим путем выбраны: составы композиций, включающих помимо основных компонентов – порошков из алюминиевых сплавов и частиц керамики или графита - пластификатор; условия прессования (усилия, защитная среда, температура, длительность); технология подготовки порошковой смеси. Для получения брикетов разработано приспособление к прессу ПГ60. Полученные брикеты опробованы для получения КМ заданного состава.

Выбор технологии изготовления металломатричных КМ, упрочненных дискретным наполнителем, зависит как от состава КМ, так и от условий эксплуатации получаемого изделия. Так, для деталей, работающих в условиях динамического нагружения, более рациональным, чем объемное, является градиентное армирование. Основными способами получения градиентных материалов являются центробежное литье, наплавка, напыление, прокатка.

       Исследование структуры КМ осуществляли на световых микроскопах Номарски, Лейка DM ILM, Неофот, МИМ-10, электронном сканирующем микроскопе LEO 430i. Фазовый состав определяли рентгеновским методом на дифрактометре (ДРОН-3). Количественную оценку равно­мерности распределения частиц в матрице КМ проводили путем обработки металлографических изображений структу­ры КМ на основании гистограмм распределения площадей скоплений и по методу равноячеечного разбиения и оцифровывания изобра­жений.

Применение КМ в узлах реальных конструкций требует комплексной оценки механических, технологических и эксплуатационных свойств (рис. 2).

Рис. 2. Оцениваемые свойства КМ

       

Испытание механических свойств включали: определение прочности при растяжении (испытания на разрыв по ГОСТ 11701 – 84, ГОСТ 1497), прочности при сжатии – (испытания на осадку по ГОСТ 8817-57).

Измерение твердости проводили в соответствии  с  ГОСТ 13407-67. Твердость по Бринеллю образцов из КМ была измерена шаром диаметром 2,5 мм при нагрузке 102,6 кг и длительности нагружения 20 с. Измерения микротвердости производили на микротвердомере ПМТ-3 алмазной пирамидкой при нагрузке 50 г и 100 г в течение 10 с.

Оценены литейные свойства КМ: жидкотекучесть и усадка, характеризующие способность расплава заполнять литейную форму  и обеспечивать заданные размеры отливки без пор и трещин (ГОСТ 16438-70).

По предельной степени деформации (источником деформационного повреждения образцов КМ считали локальное нарушение связи по границам частица - матрица) и изменению механических свойств оценена деформируемость КМ при прокатке и ковке с различной степенью деформации и чередований предварительных и промежуточных нагревов.

Опробован вариант твердофазной сварки плоской прокаткой пакетов «сталь-КМ», «сталь-алюминиевый сплав-КМ» с целью получения слоистой композиции с антифрикционной поверхностью. Изучен опыт МГТУ им. И.Э. Баумана по изготовлению неразъемных соединений КМ исследуемых составов сваркой плавлением, преимущества и недостатки методов дуговой и лазерной сварки. Опробован вариант изготовления плазменного композиционного покрытия. Качество связи оценивали при испытаниях на сдвиг и прямой отрыв и с использованием фрактографических методов.

Исследовано поведение КМ при воздействии интенсивной пластической  деформации (ИПД), которую осуществляли методом кручения под давлением, на установке типа наковален Бриджмена при участии д.т.н. Н.А. Красильникова в Уфимском государственном авиационно-техническом университете.

КМ проверяли на соответствие требованиям, предъявляемым к деталям автомобилестроения, работающим в агрессивных средах. Качественную оценку поверхности после испытаний проводили в среде неэтилированного бензина АИ-92 ГОСТ2084 и технологической жидкости «Фольгол» ТУ 025831-17-33014052 по режиму положительно номинальному (ГОСТ 3940) с перепадом температур +800 С – -400С, а также при взаимодействии с соляным туманом концентрации 50 ±5 г/дм3 (ГОСТ 4233).  Испытания проведены согласно ТУ 4571-120-00232934 – 97.

Учитывая триботехническое назначение разрабатываемых КМ,  проводили испытания на трение. Для испытаний использовали специализированные машины трения: МИ-1М  типа ‘АМСЛЕР’, схема нагружения – «диск - колодка»; СМТ – 1, схема нагружения – «диск - колодка»;  МТУ-01,  схема нагружения - «вращающаяся втулка по диску»; УМТ-1, осевое нагружение кольцевых образцов «кольцо по кольцу». Испытания проводили в условиях сухого трения, с ограниченной смазкой (капельным методом - 5 капель через 5 минут) и при полноценной смазке машинным маслом ТМ-3-18. Были опробованы следующие варианты пар трения: КМ-сталь 45 с твердостью HRC 50; сталь 40Х  - HRC 45, сталь Е 52100 - HRC60, КМ-КМ и КМ-латунь Л63 (ГОСТ 17711-93).

Контролируемыми показателями при испытаниях являлись момент трения и температура в зоне трения. Температуру поверхности трения измеряли с помощью  хромель-копелевой термопары, горячий спай которой помещали  на расстоянии 2 мм от поверхности трения в композиционном образце или контртеле. Температуру регистрировали с помощью потенциометров постоянного тока ПП-63 (ГОСТ 9245-79). Трибологическое поведение образцов оценивали по величине коэффициента трения, рассчитанной на основе диаграмм моментов трения, и условиям перехода в задир. Динамику процесса изнашивания анализировали по продолжительности приработки, стабильности температуры в трибоконтакте и величине момента в период установившегося трения. 

       Износ оценивали по изменению массы (точность ± 0,5 10-3г) или размеров образцов (точность измерения ± 0,1 10-4м). Интенсивность изнашивания определяли по потере массы Δm испытываемых образцов или контртел после трибонагружения, отнесенной к пути трения.

       По результатам экспериментов анализировали изменение коэффициента трения и интенсивности изнашивания в зависимости от вида, объемного содержания и размера частиц, от состава матрицы и от условий нагружения; температуры фрикционного разогрева в зависимости от нагрузки, скорости скольжения и состава КМ, износ контртел в зависимости от состава КМ и т.д.

Рельеф поверхности трения и продукты изнашивания исследовали на оптическом и электронном сканирующем микроскопах, состав поверхностных слоев - методом рентгеновского анализа; глубинные изменения материала в зоне контакта - по изменению структуры и микротвердости.

       Кроме лабораторных испытаний на трение и износ проводили испытания КМ на стендах, а также испытания в реальных изделиях.

       

III. ВЛИЯНИЕ АРМИРОВАНИЯ НА СТРУКТУРУ, МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КМ

Введение в алюминиевые расплавы дисперсных тугоплавких наполнителей способствует уменьшению дендритного параметра литой структуры. Частицы керамики не являются центрами кристаллизации, но оттесняются растущими дендритами – алюминия в междендритные пространства, обогащенные легкоплавкими фазами. Модифицирующая роль частиц керамики обусловлена ограничением объемов расплава, в которых проходит ликвация. Частицы металлоподобных карбидов и интерметаллидов также оказывают модифицирующее влияние на литую структуру КМ, но уже как центры кристаллизации. При добавлении в состав КМ частиц графита последние располагаются преимущественно в междендритных пространствах, а также могут служить подложкой для кристаллов первичного кремния в силуминах.  Установлено, что с ростом содержания в КМ частиц керамики и графита измельчение фрагментов структуры усиливается.

При увеличениях оптического микроскопа видно, что частицы керамики сохраняют скольные формы, т.е. жидкофазный процесс не вызывает деградации армирующей фазы (рис. 3). С другой стороны, отсутствие пустот и пор на границах раздела свидетельствует об удовлетворительной межфазной связи «наполнитель-матрица».

 

а)  б)  в)  г)

Рис. 3. Характерная микроструктура КМ:

а) АК12+5%SiC(28), б) АК12+15%SiC(14), в) АК12+5%Al2O3(40) +2,5%C(63-100), г) АК12+5%SiC28+5%TiB2

       Распределение частиц в матрице зависит от их природы и условий затвердевания композиционных отливок. При увеличении скоростей затвердевания литая структура матриц оказывается более дисперсной, частицы распределяются в матрице более однородно. Полиармирование КМ, или введение в матрицу частиц разной природы, осуществляют с целью расширения

эксплуатационных возможностей КМ. Так, в КМ состава АК12-Al2O3-C керамические частицы обеспечивают несущую способность и износостойкость; графитовый наполнитель, являющийся сухой смазкой, вводится в состав КМ для понижения коэффициента трения, при этом нарушения сплошности материала отсутствуют (рис. 3в).

КМ, получаемые в процессах реакционного литья in-situ при добавлении в расплав металлических порошков (Fe, Ti, Zr, Ni и др.), характеризуются протеканием интенсивных экзотермических реакций, результатом которых является образование новых армирующих интерметаллидных фаз (чаще всего Al3Ме). На рис.4. приведены структуры КМ с металлической матрицей из технического алюминия и упрочняемого термической обработкой сплава Д16 с добавлением в качестве реакционного компонента порошков Ti.

Видно достаточно равномерное распределение в матрице фазы  Al3Ti,  кристаллы  которой имеют в основном форму равноосных прямоугольников, иногда со скругленными гранями, реже - игл. Размер кристаллов интерметаллидов вырастает с увеличением температуры расплава и длительности выдержки расплава до разливки. Интерметаллидные армирующие фазы позволяют повысить термическую стабильность КМ благодаря формированию поверхностей раздела интерметаллид/матрица с когерентной или полукогерентной структурой. Экзотермические реакции между расплавом и вводимыми реакционно активными порошками позволяют осуществить полиармирование и ввести в матрицу большое количество керамического наполнителя (рис. 4б).

       

 

  а)  б)

Рис. 4.  Структуры КМ, получаемых в процессах in-situ: Аl+7,5%Al3Ti (а), Д16+7,5%Al3Ti+15%SiC(28) (б).

С целью обеспечения функционального распределения частиц в матрице опробован метод центробежного литья. В результате центрифугирования композиционного расплава получаются градиентные КМ (рис. 5). Такие КМ отличаются наличием пространственно неоднородных структур, благодаря которым приобретают новые свойства. Поверхностные слои с повышенной концентрацией армирующей фазы различной природы и состава организуются за счет направленного перемещения дисперсных частиц в жидкометаллической

суспензиии. Твердые дисперсные частицы, имеющие плотность большую, чем матричный алюминиевый сплав, перемещаются к наружной стенке формы (изложницы), менее плотные – к оси вращения, на свободную поверхность (во внутреннюю часть отливки).

а)  б)

Рис. 5. Структуры КМ, полученных центробежным литьем на установке ВлГУ по режиму:  частота вращения формы вокруг вертикальной оси п =1250 мин-1; температура изложницы 200 - 210°С; температура композиционного расплава - 750 - 760°С, время обработки в форме - 2-3 мин. АК12-10%Al2O3(40) (х200) (а); АК12-10%Al2O3(40)+2,5%С(400мкм) (х100) (б)

       

Так, при использовании в качестве армирующего компонента в алюминиевых сплавах (ρ = 2,7 г/см3) частиц карбида кремния (ρ = 3,2 г/см3) можно создать градиентные КМ, у которых наружные поверхности будут иметь повышенные жесткость и сопротивление износу, а внутренние сохранять высокие пластичность и вязкость (на уровне матричного сплава), что весьма важно для деталей, работающих в условиях динамического нагружения. При армировании алюминиевых матриц частицами графита (ρ = 2,23 г/см3), призванными обеспечивать эффект самосмазывания в условиях ограниченной смазки при трении скольжения, можно использовать эффект механического увлечения и выноса легких частиц графита к наружной поверхности образца за счет дополнительного введения частиц наполнителя с большим удельным весом, например SiC или Al2O3, т.е. осуществить градиентное полиармирование.

Рассмотрено влияние наполнителей на изменение литейных свойств алюминиевых сплавов. Так, при проведении стандартных испытаний для композиционных расплавов установлено, что жидкотекучесть, определяемая по длине отлитого столба 10 мм (ГОСТ 16438-70), с увеличением содержания частиц в сплаве снижается. Значения усадки при введении частиц керамики (до 5% от общего объема КМ) изменяются незначительно, т.е. при расчетах можно оперировать значениями в диапазоне, характерном для матричных сплавов (0,9-1%). При повышении содержания армирующей фазы до 10% наблюдается заметное снижение показателей усадки (до 0,5%).

Жидкотекучесть композиционных расплавов имеет важное значение в процессах соединения КМ методами сварки плавлением. Опытами сотрудников МВТУ им. Н.Э. Баумана Г.Г. Чернышова, Н.В. Коберника показано, что при дуговой сварке неплавящимся электродом всех КМ составов, соответствующих  табл. 1, за исключением КМ с добавлением частиц графита, можно получить удовлетворительное формирование сварного шва, отсутствие грубых макродефектов (подрезов, несплавлений, трещин). Установлена возможность сохранения в сварном шве армирующего наполнителя при выборе оптимальных режимов сварки. В процессе сварки промышленных алюминиевых сплавов при кристаллизации шва под действием напряжений усадки существует опасность образования горячих трещин. В аналогичных условиях дисперсно армированные КМ обнаруживают стойкость против образования горячих трещин, вероятно, вследствие уменьшения макроликвации в присутствии частиц. Частицы также выступают ограничителями развития межзеренного проскальзывания, как необходимого условия зарождения и развития горячих кристаллизационных трещин.

Характеристики технологических свойств, отражающие способность материала выдерживать без разрушения различного рода внешние воздействия в процессе обработки, являются необходимыми при определении возможности изготовления изделий из КМ.

Были осуществлены следующие методы пластического деформирования КМ: осадка, прокатка, ковка. Поверхности раздела между матрицей и армирующими частицами создают в КМ концентрацию напряжений, снижая способность материала к деформированию, однако в зависимости от механических характеристик частиц и матрицы, различий в коэффициенте термического расширения, прочности межфазной связи это снижение происходит в разной степени. С этой точки зрения интересны количественные показатели предельных возможностей деформирования (начала образования макротрещин) КМ различных составов при разных условиях термопластического воздействия (табл. 2).

Таблица 2.

Допустимая степень деформирования КМ на основе алюминиевых сплавов

Материал

Вид деформирования и обработки

Деформация, %

АМг1+2,5% SiC3

Прокатка образцов толщиной 2мм при комнатной температуре в вальцах RW

15

АМг1+ 5% SiC28

11

АМг1+2,5% SiC3

Прокатка с предварительным подогревом до 3000С

42,5

АМг1+2,5% SiC3

Прокатка в 2 прохода с предварительным и промежуточным подогревом до 3000С

57

Д16+15%SiC28

Осадка согласно ГОСТ 8817-57

(цилиндры, диаметр 10 мм, высота 10 мм)

23,5

В124+10%SiC40

28

АЛ25+2,5%SiC3

20

АЛ25+5,6%SiC28

24

АЛ25+2,5% SiC3, двойной переплав

28

Видно что, с увеличением температуры предельная степень деформирования возрастает, аналогичный эффект вносит и прокатка в 2 прохода с промежуточным нагревом. При осадке можно отметить, что увеличение размера армирующих частиц и повторный переплав положительно сказывается на характеристиках деформируемости.

Особый интерес представляет оценка состояния композита после интенсивного пластического деформирования (ИПД), на установке типа Бриджмена при усилиях 5 и 6 ГПа, где применяли бойки со специальным углублением на нижней наковальне, на 3 и 5 оборотах при температуре 200 С, степень деформации составляет соответственно 55 и 63%. Измерение прочностных показателей проводили при испытаниях на растяжение образцов в форме двойной лопатки, вырезанных электроискровым способом из исходных и продеформированных КМ, на испытательной машине ИММАШ при комнатной температуре со скоростью растяжения 2 х 10-3с-1. Испытания показали, что предел прочности при растяжении составляет для КМ составов, соответствующих № 1, 7, 24 табл. 1 в исходном (крупнокристаллическом) состоянии – 172-184 МПа; после ИПД – 341-395 МПа. Результаты измерения твердости и микротвердости образцов КМ и матрицы АМг-1 до и после ИПД представлен на рис. 6.

 

  а) б)

Рис.6.  Результаты измерения а) твердости и б) микротвердости до и после ИПД.

Видно, что интенсивная деформация приводит во всех случаях к упрочнению материалов, причем в присутствии армирующих фаз достигнутое увеличение твердости оказывается большим для КМ.

Твердость и прочность, достигнутые в результате ИПД возрастают по сравнению с исходным крупнокристаллическим состоянием в 1,5-2 раза. Отмечен незначительный разброс микротвердости в радиальном направлении по исследуемой поверхности, что свидетельствует об увеличении однородности структуры. В результате ИПД материал приобретает ультрамелкозернистую структуру, обеспечивающую, кроме перечисленных особенностей, снижение интенсивности изнашивания в сухом трении против контртела из стали 40Х в 1,5 и более раз.

Способность к деформированию КМ существенно зависит от материала матрицы, содержания и размера армирующей фазы, качества межфазных связей, уровня остаточных напряжений и других факторов. Повысить степень допустимой пластической деформации удается при повышении прочности связи по границам раздела частица/матрица путем оптимизации состава материала матрицы и частиц, размера частиц; выбора технологических параметров изготовления (температуры расплава и вводимых частиц, скорости перемешивания, длительности выдержки до разливки, скорости кристаллизации); подготовки поверхности частиц путем травления, окисления, нанесения технологических покрытий на частицы (Cu, Ni, Ti, Fe); режимов термической обработки КМ с целью дисперсионного твердения матрицы или улучшения межфазных связей; дополнительного комбинированного воздействия (деформационное упрочнение матрицы, снятие межфазных напряжений, перераспределение армирующих фаз). Исследования структуры КМ после внешнего воздействия на материал показывают возможность повышения равномерности распределения армирующих компонентов (рис.7).

а)  б)

 

  в)

Рис. 7. Структура образца КМ АМг1-5%SiC28 в исходном состоянии (а) и после плоской прокатки (б), 200; распределение частиц в матрице по результатам оцифрования изображений (размер ячейки 100 мкм) (в)

Однородность распределения частиц в матрице отражается на механических свойствах КМ, а также на эксплуатационных характеристиках: обеспечивается стабильный коэффициент трения, уменьшается возможность задира. Чем равномернее распределены частицы керамики, тем выше антифрикционные свойства материала.

Установлено, что равномерность распределения армирующей фазы в литых КМ возрастает при увеличении размера и объем­ной доли частиц; при лучшей смачиваемости частиц расплавом; при повторных пере­плавах КМ; при кристаллизации с большой скоростью и под давлением.

При рассмотрении возможностей получения многослойного материала с композиционным слоем опробован метод плоской прокатки. Получены композиции «сталь – КМ (АМг1+5%SiC28); АМг1 – КМ (АМг1+5%SiC28); Д16 – КМ (АМг1+5%SiC28). Метод прокатки выбран как наиболее доступный, простой

и надежный для изготовления слоистого материала. Метод обеспечивает прочность сцепления слоёв за счёт диффузионных процессов в граничной зоне.

Диффузионные процессы, происходящие в зоне контакта, анализировали при помощи микрорентгеноспектрального анализа. Распределение элементов вблизи границы сталь-КМ (АМг1 + 5%SiC28) после прокатки в вальцах RW с предварительным прогревом пакета до 340-3500С в течение 40 минут со степенью обжатия 40% и стабилизирующего отжига при температуре 2500С - 30 минут и последующего проглаживания в вальцах, показано на графике (рис. 8).

Рис. 8. Распределение элементов  (Al и Fe) в зоне контакта образца

сталь-КМ  (АМг1-5%SiC), дистанция между т.1-т.17  3,5мкм

Из рис. 8 видно, что ширина переходной зоны, возникающей  из-за диффузионного перераспределения химических элементов контактирующих фаз ~3 мкм.

Прочность полученного соединения анализировали по результатам испытаний на прямой отрыв и сдвиг. Полученное значение прочности сцепления слоев превышает 150 МПа. Испытания на сдвиг соединяемых слоев

показывают высокую сдвиговую прочность соединения. Увеличение степени обжатия приводит к увеличению ширины диффузионной зоны и соответственно, прочности сцепления слоев.

Методом плазменного напыления получены композиционные покрытия (АМг3+5%SiC40) на подложке из конструкционной стали Ст3 и сплава Д16. Напыляемые частицы ускоряются в плазменной струе, при ударе интенсивно деформируются и образуют мелкокристаллический композиционный слой. Полученный таким образом слоистый материал перспективен для использования как износостойкий.

В результате проведенных экспериментов показана возможность получения биметалла КМ - сталь, КМ – алюминиевый сплав, что открывает возможности для изготовления слоистых деталей типа полуколец, вкладышей и втулок, расширения номенклатуры использования КМ как конструкционного материала в других слоистых конструкциях.

Литейные промышленные алюминиевые сплавы (АК12, АК9, АК7, АК5М, АК12М2МгН и др.) отличаются низкой или удовлетворительной механической обрабатываемостью резанием. Наличие армирующей фазы в литом алюминиевом сплаве вызывает дополнительные трудности в работе с литыми КМ, выражающиеся в быстром и значительном износе режущего инструмента, а также отклонениях по шероховатости и точности от заданных значений. Опробована резка КМ, армированных 10 об.% SiC, ленточными пилами с режущей кромкой из алмаза, зерен вольфрама, карбида вольфрама, быстрорежущей стали с покрытием из нитрида титана, а также различными отрезными кругами. Результаты исследований показали, что алмазные ленточные пилы имеют при обработке КМ лучшие показатели по производительности резки и стоимости. При резке отрезными кругами установлено, что используя более твердые круги, чем обычно, с прочной бакелитовой связкой можно достигнуть более высоких показателей. При неизменном связующем увеличение твердости зерен дает более высокую стойкость кругов. Испытание различных абразивных материалов показало, что лучшей для обработки является смесь электрокорунда и карбида кремния (50:50).

С целью решения проблемы токарной обработки деталей из КМ определен выбор режущего инструмента, его геометрии, режимов резания и состава смазочно-охлаждающих жидкостей. Например, обильный полив составами из смеси: олеиновой кислоты–7 %, канифоли–10 %, масла индустриального– 73 %, каустика ( = 1,73 г/см3) – 4,2 %, спирта денатурата–3,4 %, вода – остальное, для чернового и чистового точения и смеси сурепного (30%) и вазелинового (70 %) масел для тонкого точения предотвращает образование нароста на резце и повышает период его стойкости. При черновой и чистовой токарной обработке рекомендуется применение только твердосплавного или алмазного инструмента, при обточке наружных и торцевых поверхностей и расточке отверстий при черновой и получистовой обработке рекомендуются инструментальные материалы марок ВК6, ВК2, ВК3, Т30К4, ВК6-М, ВК3-М, ВК8. Для тонкой чистовой обработки рекомендуются алмазные резцы.

Определены оптимальные углы и радиусы резцов, а также режимы резания. Опыт изготовления деталей из КМ составов, опробованных в работе, на предприятиях ОАО «УТЕС», ОАО «Ковровский экскаваторный завод», ФГУП ВПО «Точмаш», ООО «Завод Автоприбор», ОАО «Заволжский моторный завод», и др. показал, что для успешного решения проблемы механической обработки КМ необходим правильный выбор режущего инструмента, его геометрии, режимов резания и СОЖ. Таким образом, детали из КМ могут быть изготовлены литьем, механической обработкой, деформационными технологиями, а так же сваркой и напылением.

IV. ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИСПЕРСНО НАПОЛНЕННЫХ КМ

Лабораторные испытания образцов из КМ на трение и износ проводили по разным схемам (Гл. 2). Для машины трения МИ-1М типа ‘АМСЛЕР’ и СМТ–1 выбрана схема нагружения – «диск - колодка». Диски, выполненные из стали 40Х, латуни Л63 (ГОСТ 17711-93), КМ, вращаются со скоростью 500 об/мин (линейная - 1,31 м/с); колодки из КМ неподвижно закреплены с заданным усилием. Испытания проводили в условиях сухого трения, с ограниченной смазкой (капельным методом - 5 капель через 5 минут) и при полноценной смазке машинным маслом ТМ-3-18. Машина МТУ-01,  схема нагружения - «вращающаяся втулка по диску»; опробованы следующие варианты пар трения: КМ-сталь 45 с твердостью HRC 50; сталь 40Х - HRC 45, сталь Е 52100 - HRC60. Для оценки фрикционной теплостойкости (ГОСТ23.210-80) испытания проводили на установке УМТ–1 по схеме осевого нагружения кольцевых образцов ∅нар28 х ∅вн20 х h 16 мм при постоянных нагрузках от 70 до 180Н и скоростях скольжения, изменяемых в пределах от 0,38 до 1,88 м/с (300 – 1500 об/мин) по 15 минут испытаний на каждом этапе. Втулки были изготовлены механической обработкой опытных отливок из КМ и – для сравнения – из отливок матричных сплавов, антифрикционного алюминиевого сплава АО20-1 и бронзы Бр05Ц5С5. Контртела изготавливали из стали 40Х (НRC≥45).

Основные закономерности,  полученные в результате испытаний образцов КМ при различных условиях трибонагружения, согласуются между собой. Одной из важных трибологических характеристик является длительность приработки до установления стабильного трения, когда момент трения и температура в зоне трения незначительно изменяются во времени (Рис. 9). Стабилизация показателей процесса трения КМ в условиях смазки происходит через 80 (± 10) минут, что примерно на 10 минут больше, чем приработка бронзы в таких же условиях. Длительность приработки также значительно зависит от шероховатости контактирующих поверхностей, обеспечиваемой возможностями обработки КМ (см. Гл. 3). В условиях сухого трения приработка происходит в течение 30 минут и более. Коэффициент трения в этот период нестабилен и может изменяться в широком диапазоне.

После окончания приработки наступает период стабильного трения, когда физико-химические процессы, локализованные в поверхностных слоях, находятся в динамическом равновесии. Температура в контакте и продолжительность периода стабильного трения зависит от многих факторов: материала матрицы (сплавы системы Al-Si имеют более высокую фрикционную

температуру), размеров деталей, формы трибоконтакта. С увеличением содержания армирующих частиц температура в зоне  трения возрастает. То же наблюдается при росте нагрузки (рис. 9 в). Коэффициент трения с увеличением объемного содержания и размера частиц повышается (табл.3).

а) б)

0,4  1  2 Нагрузка, МПа

в)

Рис. 9. Изменение температуры в зоне трения

(машина МИ-1М, скорость 1,31 м/сек, контртело-сталь 40Х (HRC45):

а) АМг1+5%SiC28 в условиях сухого трения, нагрузка 0,6 МПа (1), 1,5 МПа (2);

б) при трении со смазкой: 1 – КМ АМг1+5%SiC28, нагрузка 15 МПа;

2 – КМ АК12+5%SiC28, нагрузка 10 МПа;

в) увеличение температуры в зоне контакта при увеличении приложенной нагрузки в условиях сухого трения (машина МИ-1М)

Таблица 3.

Коэффициент трения КМ в паре со сталью

Материал

матрицы

Армирующий наполнитель

Условия

трения

2,5 об. % SiC

5 об. % SiC

Д16

0,04

0,06

машина трения МИ-1М, 3 МПа,

трение со смазкой, 500 об/мин

AK12M2MгH

0,55

0,75

машина трения УМТ-01, 0,23МПа, сухое трение, 300 об/мин

Все рассматриваемые КМ имеют коэффициенты трения, характерные для антифрикционных материалов (сплавов Бр05Ц5С5, АОМ20-1), но сохраняют их в значительно более широком диапазоне скоростей скольжения и нагрузок.

Введение в состав дисперсно наполненных КМ системы «алюминиевые сплавы – керамические частицы» графита снижает коэффициент трения и увеличивает износостойкость материала на 16 25% в зависимости от состава материалов трибопары и условий трибонагружения.

Рентгеновский анализ состава поверхностных слоев после испытаний трибопар КМ со сталью 40Х в режиме стабильного трения показал, что на поверхности трения всех образцов присутствует материал контртела (Fe), однако в разных концентрациях: от 1,64 до 5,11 ат.%. Различия отражают условия трибоконтакта.

Металлографические исследования образцов КМ после трибоиспытаний  показали, что уже при малых скоростях относительного перемещения трущихся тел (0,2 м/с) и малых нагрузках (70 Н) на поверхности трения в направлении скольжения формируются борозды пластического деформирования как результат абразивного действия неровностей контртела. Сдвиги наиболее заметны на неармированных образцах и менее выражены на образцах КМ, где керамические частицы, выполняя роль несущих элементов, препятствуют сдвиговой деформации матрицы (глубина борозд более 10 мкм с шагом между гребнями 0,2÷0,5 мм). С другой стороны, те же твердые керамические частицы могут быть причиной переноса вещества контртела на поверхность КМ. При средних режимах нагружения на стадии установившегося изнашивания в полосах пластического деформирования образцов КМ появляются признаки структурной самоорганизации в виде ячеек размером 5–10 мкм, оконтуренных керамическими частицами размером ~ 1 мкм, что может быть результатом декогезии и разрушения частиц с последующим шаржированием их в матрицу.

Формирование на поверхности трения такого рода фрактальных структур можно определить как устойчивое промежуточное состояние, обеспечивающее высокую износостойкость образцов КМ. Ведущий механизм изнашивания на стадии формирования таких структур - абразивный. Абразивное действие могут осуществлять продукты изнашивания – оксиды алюминия, обломки контртела, выкрошившиеся армирующие частицы.

С увеличением параметров и длительности трибонагружения ширина полос, где формируются фрактальные структуры, и размеры их фрагментов  уменьшаются. Одновременно от поверхности вглубь образцов расширяется зона пластических сдвигов и поворотов. Формирование этой зоны связано с действием сил трения и появлением на поверхности трения очагов схватывания. Ее ширина в образцах КМ зависит не только от механических свойств матриц при температурах разогрева при трении, но и от дистанции между армирующими частицами: чем больше эта дистанция, тем шире зона пластических сдвигов и поворотов. На заключительной стадии стабильного трения ширина этой зоны в КМ достигает 100-150 мкм, что позволяет говорить о выходе процесса изнашивания на макромасштабный, или объемный, уровень.

Как известно, завершающей стадией разрушения поверхностей трения является микроконтактное схватывание и задир, поэтому работоспособность антифрикционного материала можно оценить по параметрам задира или фрикционной теплостойкости. Обобщенные результаты испытаний на задир на установке УМТ-1 приведены в (табл. 4).

Таблица 4.

Составы образцов КМ для трибоиспытаний и условия перехода в задир трибопары КМ/сталь 40Х в условиях сухого трения на установке УМТ-01 (ГОСТ 23.210-80).

№ п.п

Состав

НВ

Нагрузка

Р, кг

f ср./К (t - время до задира, мин.)

Скорость n, об/мин

300

600

1000

1500

1

АМг1+5%SiC28

666

7

1,13/0,42*(5

2

AK12

624

7

0,5/1,62*(15

0,92/0,47*(1

3

АК12-5%SiC28 (40)

712

7

0,34/0,81*(1)

4

АК12-10%Al2O3 (40)

712

7

0,63/0,39*(2

0,54/0,42*(2,5

5

18

0,67/0,35*(1

6

AK12+5%C(60-100)

666

7

0,34/1,58*(2

7

АК12+

5% Al2O3(40)+2,5%С(400)

639

7

1,17/0,52*(3

0,67/0,93*(15)

8

AK12+

10%SiC(28)+5%C(63-100)

818

7

0,68/0,44*(3

9

14,4

0,64/0,75*(15)

10

АК12+5% базальта

7

1,25/0,85*(7

0,95/0,32*(10)

11

AЛ25

988

7

1,02/0,43*(4

12

10,8

0,84/0,58*(6

13

AЛ25+3%SiC28

1070

18

0,66/0,65*(15)

14

Д16

849

10,8

1,21/0,51*(2

0,61/0,89

15

Д16+5%SiC28

1110

7

0,78/1,41*(15)

16

10,8

0,48/1,00

0,63/1,24*(15)

17

Д16+7,5%Al3Ti+15%SiC28

1450

10,8

0,51/0,93*(12)

18

       АОМ 20-1

170

7

0,70/0,83*(1

Примечания:

f ср. – средний коэффициент трения в режиме стабильного трения,

К – коэффициент нестабильности процесса:

К = fmax - f min  / fср, где t – время до задира, мин

Задиростойкость КМ существенно превосходит таковую образцов из матричных сплавов и антифрикционного сплава АОМ 20-1 (20% Sn, 1% Cu, остальное - Al). Наибольшую стойкость против схватывания обнаруживают КМ на базе матричных сплавов, имеющих наиболее высокие значения предела прочности и текучести, а также КМ с полиармированием наполнителями разной природы, в том числе КМ, где интерметаллидный наполнитель получен методом реакционного литья (in-situ). По результатам испытаний на задир одновременное введение в матрицу керамических частиц и частиц графита смещает точку перехода "нормальный режим – схватывание" в область более высоких значений осевой нагрузки и скоростей скольжения.

Просмотр на  растровом электронном микроскопе поверхности образцов после задира показывает, что армирование заметно отражается на микрорельефе очагов схватывания. В присутствии керамических частиц очаги схватывания более фрагментированы, чем на неармированных образцах, вероятно, вследствие возрастания частоты чередования процессов схватывания и разрыва адгезионных связей. Введение в КМ частиц графита повышает сопротивление схватыванию, в очагах схватывания увеличивается доля площади относительного проскальзывания трущихся тел (рис. 10).

     

а б в

Рис. 10. Поверхность участков схватывания образцов АК12 (а),

АК12 + 5%SiC (б) и AK12 + 5%SiC + 5%C (в)

Показатели износа образцов КМ в период стабильного трения минимальны. Так, за 5 часов непрерывного трения (23580 м) при испытании на машине МИ-1М износ колодок из КМ с разными матрицами и 5% частиц SiC28 близок к нулевому значению. Результат объясняется тем, что на начальной стадии (первые 2 часа) наблюдается некоторое увеличение массы за счет налипания на колодку материала контртела (табл. 5)

Таблица 5.

Изменение массы колодок из КМ (г) за два часа и пять часов трения со смазкой при нагрузке 1 МПа на машине трения МИ-1М

  Материал

m 2 часа

mн - m 2 часа

m 5 часов

mн - m 5 часов

АМг-1+5SiC28

4,3116

4,3128

-0,0012

4,3110

0,0006

Д16+5SiC28

4,6281

4,6298

-0,0017

4,6276

0,0005

AК12+5SiC28

4,3290

4,3308

-0,0018

4,3287

0,0003

Даже малая добавка частиц SiC значительно повышает износостойкость КМ по сравнению с матричными сплавами: при трении со смазкой интенсивность изнашивания образцов КМ на базе сплава Д16 примерно на порядок меньше, чем у матрицы; при трении без смазки при удельной нагрузке 0,7 МПа соответствующие интенсивности изнашивания различаются в 2,5 раза и на порядок меньше, чем таковая у бронзы (рис. 11).

а)  б)

  а) б)

Рис. 11. Интенсивность изнашивания колодок в паре со сталью 40Х при трении на машине МИ-1М а) сухое трение, нагрузка 0,7 МПа,

б) трение со смазкой, нагрузка 4,0 МПа

 

Низкая интенсивность изнашивания обнаружена также на образцах КМ с матрицей АК12, что может быть связано с наличием в сплаве АК12 кристаллов первичного и эвтектического кремния, выполняющих роль дополнительных армирующих элементов.

Образцы КМ с матрицей АМг1 изнашивались более интенсивно, чем с матрицей АК12, однако после проведения термообработки по оптимальному режиму (закалка в горячую воду от 500-550оС, повторный нагрев 140оС, 40 мин) достигнуто некоторое повышение износостойкости (Табл. 6). Испытания проводили на машине трения СМТ-1 с контртелом из стали 40Х (HRC 45) в условиях  сухого трения при нагрузке 1,6 МПа. Здесь же приведены значения внутренних напряжений после трибоиспытаний, измерения на рентгеновской установке ДРОН-3, с усредненные для площади поверхности в 3 мм2, диапазон  измерения в глубину от 0,1 до 100 мкм.

Таблица 6.

Интенсивность изнашивания КМ (Im, 10-6 г\м) и внутренние напряжения в КМ (, МПа) до и после проведения термообработки образцов, испытанных на трение

Материал

образца

До термообработки

  1. После термообработки

Im, 10-6 г\м

, МПа

Im, 10-6 г\м

  1. , МПа

АМг1+2,5%SiC3

6

- 49±5

5,8

- 84±10

АМг1+5%SiC28

5,3

- 65±9

5

- 96±5

Улучшение свойств КМ на основе сплава АМг1 можно объяснить изменением состава и структуры межфазных границ и улучшением качества связи матрица-наполнитель.

Образцы КМ характеризуются наличием сжимающих (отрицательных) напряжений. В исходном состоянии величина внутренних напряжений меньше, чем после термообработки.  В работах  Иванова В.В.,  Карабекова М.М. и Колева К.С. установлено,  что сжимающие напряжения положительно влияют на усталостную прочность и износостойкость материала.

КМ на основе сплава Д16 изменяют характеристики после термообработки за счет дисперсионного твердения матрицы. Оптимальным режимом, при котором достигается снижение интенсивности изнашивания против исходного в 1,6 раза, является закалка в воду от 495-500оС, старение при 160оС, 6 ч.

Необходимым требованием к материалам, работающим в трибопаре, как показано в работах Буше Н.А. и др., является обеспечение их совместимости и минимизация суммарной интенсивности изнашивания. Наиболее распространенными в изделиях машиностроения являются трибопары, в состав которых входит сталь. На рис.12 представлены результаты суммарного износа пар трения с КМ различных составов при различных условиях нагружения.

а)

б)

Рис.12.  Весовой износ пар трения «сталь-КМ» при испытаниях на машине МИ-1М, путь трения 9432м;  а) при сухом трении с нагрузкой 0,8 МПа; б) при трении со смазкой при нагрузке 15 МПа. -  износ стали,  - износ КМ.

Испытания на трение и износ изотропных КМ системы «алюминиевые сплавы – керамические частицы» показали высокую совместимость материалов в трибопарах КМ/сталь и их преимущества перед парой бронза-сталь не только по значениям износа и максимальной рабочей нагрузки, но и по стабильности коэффициента трения в рабочем режиме, а также устойчивости последнего при возрастании нагрузки.

Оптимальным решением для повышения износостойкости пар трения является полиармирование КМ. Так, введение в КМ состава АК12+5%Al2O3(40) и АК12+5%SiC(28) графита в количестве не более 5 об.% способствует снижению коэффициента трения, повышает износостойкость  и долговечность узла трения. При этом улучшается обрабатываемость материала, следовательно, могут быть снижены затраты на оснастку и инструмент при изготовлении деталей узла. Графитовый наполнитель, являясь сухой смазкой, обеспечивает создание на поверхности контакта дополнительной защитной пленки, что позволяет использовать пару КМ по КМ в реальных узлах трения  (показано в Гл.V на примере узла КУМРФ).

Таким образом, результаты испытаний КМ на трение и износ показывают, что целенаправленное регулирование триботехнических свойств КМ может быть достигнуто за счет выбора матричных сплавов с различным уровнем прочности и пластичности; введения в матрицу наполнителей различной природы, объемного содержания и размера; последующей термической или термомеханической обработки КМ. Ограничения  по количеству армирующей фазы в КМ для условий трибоконтакта КМ/сталь определяет интенсивный износ контртела, соответствующий объемному содержанию частиц карбида кремния в 13-15%.

V. УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИСПЕРСНО АРМИРОВАННЫХ АЛЮМОМАТРИЧНЫХ КМ ДЛЯ УСЛОВИЙ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

В условиях развития рыночных отношений остро стоит проблема  роста эффективности промышленного производства и улучшения качества продукции. В главе содержатся предложения по совершенствованию технологических процессов промышленного производства алюминиевых КМ, предназначенных для изделий современной техники.

Значительно повысить технологичность процесса и качество производимых литых КМ позволяет использование метода лигатур. По этому методу на первой стадии изготавливают пропиткой под давлением литой полуфабрикат с высоким содержанием армирующих частиц (более 10 об. %). Полученный концентрат добавляют в расплав и, механически перемешивая, снижают разбавлением матрицей объемную долю частиц в КМ до 3-6 об. %. Этот метод позволяет при равных концентрациях частиц под­нять прочность КМ примерно в 1,2 раза.

В настоящее время в современную металлургию алюминиевых сплавов внедряют прогрессивный метод легирования таблетками или порошковыми брикетами (работы Шаповаловой О.М., Геращенко И.И. и др.). Такой же способ легирования может быть успешно использован в литейных цехах заводов как метод введения армирующих компонентов в концентрированном виде с высокоточным регулированием химического состава КМ.

Композиционные брикеты получали методом порошковой металлургии: изготовлением порошковой смеси и прессованием. Смеси оптимальных составов из частиц матричных сплавов, армирующих компонентов, добавок и присадок (пластификаторов, облегчающих процесс прессования) подвергали интенсивному перемешиванию, приводящему к механическому легированию.

Разработано устройство для механического легирования материалов на основе цветных сплавов частицами керамики (Патент № 67902 на полезную модель по заявке №2007110327. Приоритет полезной модели от 20.03.2007). Устройство обеспечивает высокую гомогенность шихты с однородным распределением частиц керамики.

Формирование брикета осуществляли при одностороннем прессовании шихты в специально разработанном приспособлении на гидравлическом прессе с требуемым давлением. Составы смесей и условия их прессования выбраны на основе экспериментов по определению способности полученных брикетов к взаимодействию с матричным расплавом с образованием КМ заданного состава.

Качество полученного материала обеспечивается за счет роста площади контакта порошковых частиц с расплавом и активизации диффузионных процессов, ускоряющих растворение и усвоение композиционной смеси. Отличительной особенностью процесса является универсальность введения необходимых армирующих компонентов, например, решается технологическая задача введения графита. Привлекательность процесса - в доступности и простоте.  Разработанные технологии получения дисперсноупрочненных КМ на основе алюминиевых сплавов заданного состава в условиях промышленного производства переданы на ООО «Пластметпроект», г.Ульяновск, где был спроектирован и запущен участок литья алюмоматричных КМ.

Как уже было отмечено ранее, экономичным решением, отвечающим современным тенденциям в создании материалоемких конструкций, является изготовление градиентных КМ, получаемых методами центробежного литья, нанесения композиционных покрытий и прокаткой слоистых пакетов.

Метод центробежного литья для получения ГКМ на базе алюминиевых сплавов, армированных керамическими частицами опробован в лабораторных условиях. Поверхностные слои таких отливок с повышенной концентрацией армирующих фаз различной природы и состава обнаруживают при испытании на трение и износ высокие триботехнические свойства. Благодаря наличию неармированной части градиентные отливки обладают повышенной стойкостью против хрупкого разрушения. Однако развитие работ по производству ГКМ, полученных центробежным литьем, сдерживается из-за отсутствия заказов на реальные изделия такого рода и технических требований к ним. В настоящее время на базе ООО «Пластметпроект» подготовлен рабочий проект запуска участка градиентного литья.

ГКМ может быть изготовлен и твердофазным способом в виде биметаллического или многослойного листа с рабочим композиционным слоем. Потребность в биметаллической ленте с поверхностным антифрикционным слоем из КМ может оказаться достаточно большой. Из биметалличекой ленты  «сталь-бронза» и «сталь-алюминий» изготавливают неразъемные, разъемные,  открытые подшипники и упорные кольца, вкладыши, полувкладыши и многие другие изделия. Такие биметаллические подшипники скольжения нашли широкое применение в текстильном, легком, продовольственном машиностроении, авиационной, судостроительной, автомобильной и других отраслях народного хозяйства. Согласно работам Морковкина А.В., Петухова Ю.В., Столярова И.И., Ромашкина В.А и др. в ближайшие годы ожидается рост

объемов потребления биметаллического проката. Проблемными моментами являются недостаточная износостойкость и высокая стоимость антифрикционного слоя. Внедрение сталеалюминиевой композиционной ленты позволит сократить экологически вредное производство сталебаббитовых вкладышей, повысить усталостную прочность и износостойкость изделий. 

Биметаллическая полоса Ст3-АМг1+5%SiC длиной 200 мм получена прокаткой на ОАО «УТЕС», г. Ульяновск. Работа продолжается с целью получения различных биметаллических изделий с рабочим композиционным слоем. Предполагается изготавливать из биметалла подшипник 3182114 пиноли задней бабки металлобрабатывающего станка модели ЕМ-45, 1722; втулку свертную (ОСТ 1.10289-78); вкладыши коренного подшипника кривошипно-шатунного механизма двигателя (полуцилиндры) и др.

На базе Саратовского технического университета и производственной группы «Плазма-Поволжье» проведены эксперименты по получению композиционного покрытия АМг3+5% SiC28 на стали и на сплаве Д16 методом плазменного напыления. Планируются работы по напылению алюмокерамических покрытий на базе ЗАО «Завод Акор ЕЭЭК», г.Ульяновск, для изготовления труб и соединительных деталей с защитным противокоррозионным композиционным покрытием. Трубы предназначенны для строительства тепловых сетей в соответствии с РД 153-34.0-20.518-2003.

VI. ЗАМЕНА ТРАДИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПАР ТРЕНИЯ НА КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Глава содержит примеры практического применения КМ в узлах трения скольжения и результаты замены традиционных триботехнических материалов на КМ. Представлены  описания узлов и условий работы изделий автопрома; технологии получения и изготовления деталей из выбранных КМ; методики проверок, результаты стендовых испытаний, оценки работоспособности новых антифрикционных материалов. Для некоторых узлов проведена оценка экономической эффективности производимой замены.

Поршневая пара гильза – поршень в изделии «Компрессор автомобильный КПА-1» работает в условиях сухого трения. Компрессор разработан как модернизированный вариант насоса  для создания избыточного давления в шинах машин. Работает от бортовой сети автомобиля. Сохранение создаваемого давления обеспечивается наличием запорного клапана. Нагнетание давления в рабочую зону осуществляется рабочей парой компрессора гильза – поршень. Пара работает в условиях сухого трения, допускается повышение температуры до 1000 С. Гильзу изготовливают из стали 40Х, поршень сборный с рабочей деталью – втулкой (компрессионным кольцом) из графитофторопластового материала  7в - 2А 200\140х130,  ТУ-48-20-150-89. Предложена замена графитопластовой втулки на втулку из алюминиевого литейного КМ состава АК12+5% SiC28+2,5%C400 с целью увеличения срока службы и надежности изделия (рис. 13).

Пара КМ-сталь сохраняет работоспособность во всем объеме  заданного ресурса (10000 рабочих циклов, или 1 080 000 м) и остается годной к дальнейшей эксплуатации, при этом ресурс работы изделия может быть увеличен на 40%, что отражено в  Акте испытаний.

Рис. 13. Рабочая пара трения КПА-1 и график, демонстрирующий работоспособность узла с втулками из графитопласта и КМ

Клапан управления механизмом регулирования фаз системы газораспределения автомобиля  семейства ВАЗ (КУМРФ). Клапан (рис. 14) обеспечивает переключение масляных магистралей системы фаз газораспределения двигателя. Диапазон температур окружающей среды от-400 С до + 1500 С, рабочая жидкость – моторное масло. Безотказная работа клапана в условиях и режимах работы двигателя должна обеспечиваться в течение всего срока службы автомобиля (клапан не должен подвергаться техническому  ремонту в течение 1 200 000 рабочих циклов). Контроль износа осуществляют по внешней утечке масла в полость головки цилиндров двигателя. Утечка масла при температуре 1000С и давлении 2 Бар не должна превышать по истечению срока службы 4,2 мл/мин (0,00007 л/с). Материал клапана и поршня клапана должен быть одинаковым и обладать стойкостью к бензину, маслам и антифризу.

Изготовление рабочей пары из КМ (АК12+5%SiC+2,5%С) для замены аналогичной пары, традиционно выполняемой из бронзы БрАЖН10-4-4, обеспечивает снижение веса узла в 1,3 раза, снижение затрат на материал в 10 раз при сохранении требуемых по техническим условиям параметров по надежности изделия, выраженной в достаточной герметичности, контролируемой по величине утечки масла через фланцы клапана (имеется Акт испытаний).

Рис. 14. Рабочая пара трения КУМРФ

и график, отражающий работоспособность узлов из бронзы и КМ

в диапазоне работы до 1 200 000 циклов (268000 м)

Деталь «Кольцо блокирующее синхронизатора коробки передач» (рис. 15) обычно выполняется из антифрикционной латуни ЛС-59-1. Трение осуществляется в трансмиссионном  масле ТСП-15К (ГОСТ23652-73). Максимальная скорость вращения 1600 об/мин, радиальная нагрузка (нагрузка прижима) 100Н, нормальная удельная нагрузка 5 МПа.        Предлагаемая замена латуни на КМ АК9+3-4%SiC28 или АЛ25+3,5%SiC28 позволит снизить вес детали в 3 раза (в коробке передач имеется от шести до двенадцати колец) и значительно удешевить изделие при условии оптимизации технологического процесса (точное литье).

Рис. 15. Кольцо блокирующее синхронизатора коробки передач из КМ

Втулка дисковых ножниц раскройного комплекса. Замена бронзовой втулки (БрОЦ) на втулку из КМ АК9 + 5% SiC + 1,25% С позволяет обеспечить бесперебойную работу и увеличить срок службы изделия в 3 раза (рис. 16).

  а)  б) в)

Рис. 16. Дисковые ножницы раскройного комплекса ДИН (а);

втулка, выполненная из КМ (б); втулка, установленная в рабочий узел (в)

Втулка подшипника двигателя станка токарного высокой точности с числовым программным управлением типа ТПК-125ВН1. Изготовление втулки из литого КМ состава В124-8об.% Si3N4 взамен БрОЦ позволяет снизить вес в 3 раза и увеличить ресурс работы на 35% по сравнению с базовым вариантом.

Втулка рейки рулевого управления автомобиля NissanQ Max, изготовлена из КМ на основе алюминиевого сплава А99+10%Ti, армированного 5% частиц SiC размером 28 мкм. Установлено, что использование  втулки из КМ в рассматриваемых условиях позволяет выполнить все требования, предъявляемые к узлу, обеспечив его работоспособность, увеличить жизненный цикл детали на 40% за счет сочетания свойств, реализуемых в материале: высокой ударной вязкости, жесткости и износостойкости (имеется Акт испытаний).

Поршень устройства амортизатора задней подвески автомобиля ВАЗ-2109. Замена материала поршня (СЧ35) на литой КМ АК12 + 5% SiC28+2,5%C400 позволила обеспечить все требуемые характеристики амортизатора, повысить ресурс работы на 35%, а также облегчить конструкцию.

На разной стадии технологической проработки находятся следующие изделия:

  • втулки авиационного компрессора АК-50 (рис. 17);
  • кольца двигателя внутреннего сгорания (рис. 18);
  • поршень насоса ножного – НВН – 1;
  • шайба упорного подшипника коленчатого вала – передняя, с композиционным  поверхностным слоем толщиной 0,25 мм  на стальной основе.

Рис. 17. Рабочий узел авиационного

компрессора АК-50

Рис.18. Поршневая пара двигателя внутреннего сгорания, кольца из стали и КМ.

В таблице 7 представлены сводные данные по результатам замены традиционных материалов на дисперсно наполненные алюмоматричные КМ.

Представленные данные о реальных условиях эксплуатации трибоузлов (при полноценной, ограниченной смазке и без нее; при трении по стали, латуни и КМ; с различными по значению усилиями и скоростями)  подтверждают возможность  и перспективность применения КМ как альтернативы бронзам, латуням, а в некоторых случаях полимерным материалам, чугунам и сталям. Изготовление деталей реальных изделий из КМ, их стендовые и натурные испытания свидетельствуют о целесообразности применения последних в изделиях взамен традиционно используемых материалов. В результате  замены материалов достигается повышение допустимых параметров трибонагружений, увеличение срока службы изделий, снижение веса, снижение затрат на материалы.

Разработанные рекомендации по изготовлению изделий из КМ переданы  заинтересованным предприятиям. Результаты исследований используются в учебном процессе в Ульяновском государственном техническом университете при обучении студентов старших курсов, магистров и аспирантов.

Таблица 7.

Результаты, достигнутые при замене традиционных материалов на КМ

пп

Наименование узла

Условия трения

Заменяемый материал

Состав КМ

Результаты замены

1

Компрессор автомобильный КПА-1

Сухое

Графитопласт

7в – 2А 200\140х130 

АК12+5%SiC28+2,5%C400

Увеличение срока службы на 40%.

Снижение себестоимости в 2,3 раза

2

Втулка двигателя станка ТПК-125ВН1

Сухое

БрОЦ

В124+

8% Si3N4 3-5

Увеличение срока службы на 35%, снижение веса втулки в 3 раза. Снижение себестоимости в 3,6 раза

3

Клапан управления механизмом распределения фаз КУМРФ

Полноценная смазка

БрАЖН

10-4-4

АК12+5%SiC28+2,5%C400

Снижение веса в 3 раза, более стабильная работа.

Снижение себестоимости в2 раза

4

Кольцо синхронизатора

Полноценная смазка

ЛС-59-1

АК9+3%SiC28

Снижение веса в 3 раза.

Снижение себестоимости в 2,2 раза

5

Втулка дисковых ножниц раскройного комплекса

Сухое

БрОЦ

АК9+5% SiC28+ 1,25%C400

Отсутствие не желательной деформации, увеличение износостойкости на 50% , снижение стоимости в 10 – 15 раз

6

Поршень амортизатора подвески

Полноценная смазка

СЧ35

АК12+5%SiC28+2,5%C400

Увеличение ресурса работы на 40 %, снижение веса

7

Втулка рулевого управления

 Сухое

Техническое железо

А99+10%Ti+

5% SiC28

Увеличение ресурса работы на 40%

Основные результаты и выводы

В результате проведения комплексных исследований предложена научно обоснованная  методология решения научно-технической проблемы – повышения надежности и долговечности трибосистем за счет использования в парах трения дисперсно упрочненных композиционных материалов (КМ) на основе алюминиевых сплавов. Проведенные лабораторные испытания КМ позволили выработать научные и технические решения, заключающиеся в установлении составов композиционных материалов, и оптимальных режимов их изготовления, обеспечивающих требуемый комплекс свойств в условиях эксплуатации. Эти решения позволяют повысить надежность и снизить материалоемкость деталей, в том числе работающих в подвижных сопряжениях механизмов и машин, сократить затраты благодаря замене на КМ традиционно используемых триботехнических материалов (бронз, латуней).

Реализация поставленной в диссертационной работе цели по разработке технологий, обеспечивающих создание КМ триботехнического назначения с заданным уровнем свойств для удовлетворения потребительских запросов,  опробованию дискретно армированных КМ с алюминиевыми матрицами в реальных трибосопряжениях, оптимизации на базе экспериментальных данных и стендовых испытаний структуры, свойств и методов изготовления КМ триботехнического назначения - позволяет создавать материалы, максимально удовлетворяющие эксплуатационным требованиям. 

1. На основе анализа литературных данных о применении дисперсно упрочненных КМ в изделиях машиностроения определены востребованность новых материалов и факторы, сдерживающие их массовое потребление; систематизированы основные области применения; оценена экономическая целесообразность замены традиционных материалов триботехнического назначения на КМ.

2. Исследованы структура и определены механические свойства дисперсно упрочненных частицами керамики КМ на основе алюминиевых сплавов, полученных по литейным технологиям: методом механического замешивания частиц в расплав; методом лигатур; методом реакционного литья, при котором наполнитель синтезируется между исходными компонентами  непосредственно в процессе изготовления КМ (in-situ); методом насыпных композиционных брикетов. Установлено, что введение в алюминиевые расплавы дисперсных тугоплавких наполнителей способствует уменьшению дендритного параметра отливок. Модифицирующая роль частиц керамики обусловлена ограничением объемов расплава, в которых проходит ликвация. Частицы металлоподобных карбидов и интерметаллидов оказывают модифицирующее влияние на литую структуру КМ как центры кристаллизации.  КМ, получаемые в процессах реакционного литья in-situ при добавлении в алюминиевый расплав металлических реакционно активных порошков (Fe, Ti, Zn, Ni и др.) характеризуются протеканием интенсивных экзотермических реакций, результатом которых является образование новых армирующих интерметаллидных фаз (чаще всего Al3Ме). Саморазогрев матричного расплава в ходе этих реакций позволяет ввести в КМ высокое объемное содержание керамических частиц (более 15 об.%).

3. Уро­вень механических свойств КМ зависит от механических свойств исходных компонентов - наполни­телей и матричных сплавов, объемного со­отношения компонентов, фракционного со­става и распределения наполнителя в мат­рице, прочности связи между матрицей и наполнителем. В общем случае модуль упругости и твердость КМ выше, а прочность при растяже­нии и пластичность КМ ниже, чем у матрич­ных сплавов. Увеличение однородности распределения частиц в матрице отражается на механических свойствах КМ и на эксплуатационных характеристиках: обеспечивается стабильный уровень твердости, прочности, износостойкости, уменьшается возможность задира. Установлено, что равномерность распределения армирующей фазы в литых КМ возрастает при лучшей смачиваемости частиц расплавом; при увеличении размера и объем­ной доли частиц; при повторных пере­плавах КМ; при кристаллизации с большой скоростью и под давлением.

4. При проведении стандартных испытаний для оценки литейных свойств КМ установлено, что с увеличением содержания частиц жидкотекучесть композиционных расплавов в сплаве снижается. Температура, при которой достигается оптимальная заполняемость формы,  возрастает с увеличением содержания частиц. Значения усадки при введении частиц керамики (до 5% от общего объема КМ) изменяются незначительно, и при расчетах можно оперировать значениями в диапазоне, характерном для матричных сплавов (0,9-1%). При повышении содержания армирующей фазы до 10% наблюдается заметное снижение показателей усадки (до 0,5%). Дисперсно армированные алюмоматричные КМ не обнаруживают склонности к горячеломкости.

5. Анализ состояния КМ, проверенных на соответствие эксплуатационным требованиям,  предъявляемым к деталям, работающим в агрессивных средах, согласно ТУ 4571-120-00232934–97 позволил рекомендовать материал для использования в деталях труб и соединительных деталей тепловых сетей, магистральных газо-, нефте- и водопроводов, включая горячее водоснабжение.

6. Разработаны технологии изготовления КМ в условиях литейного производства, обеспечивающие заданный уровень механических и эксплуатационных свойств: метод лигатур и механического замешивания. Метод введения армирующих элементов в концентрированном виде (порошковыми брикетами) обеспечивает высокоточное регулирование химического состава КМ. Осуществлен вариант полиармирования, позволяющий насыщать материал твердыми смазками заданного содержания (графит 63-100 и 400 мкм).

7. Выявлены особенности механической обработки КМ. Определен выбор режущего инструмента, его геометрии, режимов резания и состава смазочно-охлаждающих жидкостей для достижения требуемых характеристик  обрабатываемых поверхностей.

8. По результатам лабораторных испытаний  композиционных материалов системы  «алюминиевые сплавы – частицы керамики» на трение и износ, сформулированы общие закономерности поведения КМ при трибонагружении. Армирование матриц высокопрочными, высокомодульными частицами керамики способствует увеличению несущей способности, расширению интервала трибонагружения по допустимым скоростям скольжения, температурам в трибоконтакте; увеличению стойкости против схватывания. Все рассматриваемые КМ имеют коэффициенты трения, характерные для антифрикционных материалов (сплавов Бр05Ц5С5, АОМ20-1), но сохраняют их в значительно более широком диапазоне скоростей скольжения и нагрузок.

Формирование на поверхности трения фрактальных структур определяет устойчивое промежуточное состояние, обеспечивающее высокую износостойкость образцов КМ. Ведущий механизм изнашивания на стадии формирования таких структур -  абразивный. Абразивное действие могут осуществлять продукты изнашивания – оксиды алюминия, обломки контртела, выкрошившиеся армирующие  частицы.

Задиростойкость КМ существенно превосходит таковую образцов из матричных сплавов и антифрикционного сплава АОМ 20-1 (20% Sn, 1% Cu, остальное - Al). Наибольшую стойкость против схватывания обнаруживают КМ на базе матричных сплавов, имеющих наиболее высокие значения предела прочности и текучести, а также КМ с полиармированием наполнителями разной природы, в том числе КМ, где интерметаллидный наполнитель получен методом реакционного литья (in-situ).

После проведения термообработки по оптимальному режиму  достигнуто повышение износостойкости КМ на основе сплава АМг1 за счет изменения состава и структуры межфазных границ и улучшения качества связи матрица-наполнитель. КМ на основе сплава Д16 изменяют характеристики после термообработки за счет дисперсионного твердения матрицы.

КМ с более прочной матрицей имеют лучшие трибологические характеристики. В полиармированных образцах КМ системы Al-SiC-C керамические частицы обеспечивают несущую способность и износостойкость; графитовый наполнитель, являющийся сухой смазкой, повышает антифрикционные свойства КМ.  Введение в состав дисперсно наполненных КМ графита 5 об.% снижает коэффициент трения и увеличивает износостойкость материала на 16 25% в зависимости от состава материалов трибопары и условий трибонагружения.

9. Натурные испытания на трение и износ изотропных КМ системы «алюминиевые сплавы — частицы керамики» показали высокую совместимость материалов в трибопарах КМ/сталь и их преимущества перед парой бронза-сталь не только по значениям износа и максимальной рабочей нагрузке, но и по стабильности коэффициента трения в рабочем режиме, а также по устойчивости последнего при возрастании нагрузки. Показано, что  увеличение размера и объемного содержания частиц  в матрице снижает износ деталей из КМ, однако при этом увеличивается износ сопряженного контртела и коэффициент трения. Показана необходимость оптимизации объемного содержания частиц в КМ по условиям эксплуатации. Впервые экспериментально подтверждена возможность применения литых КМ системы алюминиевые сплавы - частицы керамики в узлах трения механизмов и машин в паре со сталью в условиях с ограниченной смазкой и в паре КМ-КМ при трении со смазкой.

10. Определен комплекс внешних воздействий, позволяющих управлять изменением механических и эксплуатационных свойств КМ. К ним относятся: термическая обработка, пластическая деформация и ИПД. Повысить деформационную способность КМ удается путем оптимизации состава (материал матрицы и частиц, размер частиц); выбора технологических параметров изготовления КМ; нанесения технологических покрытий на частицы; режимов термической обработки (для дисперсионного твердения матрицы, улучшения межфазных связей, снятия межфазных напряжений). Показаны возможности повышения износостойкости КМ за счет интенсивного пластического деформирования (ИПД) методом кручения под давлением. Метод обеспечивает интенсивное измельчение структуры до субмикронного уровня, что приводит к резкому увеличению прочностных показателей и положительно сказывается на трибохарактеристиках (увеличиваются контактные нагрузки, расширяется диапазон допустимых скоростей скольжения за счет перераспределения структурных составляющих и роста прочности).

11. Решением, отвечающим современным тенденциям в создании материалоемких конструкций, является изготовление градиентных КМ методами центробежного литья, нанесения композиционных покрытий и прокаткой слоистых пакетов. Методом центробежного литья изготовлены КМ составов алюминиевые сплавы-частицы SiC, Al2O3, B4C, а также полиармированные КМ с частицами SiC+С, Al2O3+С. Разработаны технологии получения биметаллов «КМ - сталь» и «КМ - алюминиевые сплавы» методом плоской прокатки. Результаты экспериментальных исследований по получению биметаллов с рабочим слоем из КМ могут быть использованы при разработке промышленных технологий биметаллических подшипниковых вкладышей. Получены износостойкие покрытия из КМ на основе алюминиевых сплавов, упрочненных частицами карбида кремния, методом электроплазменного напыления.

12. Результаты научного исследования реализованы в реальных изделиях и конструкциях. Разработаны технологии изготовления деталей из КМ для трибоузлов. КМ различных составов на основе практически всех групп алюминиевых сплавов (литейные, деформируемые упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой, твердые растворы, ковкие и высокопрочные), а также полиармированные и слоистые композиции опробованы при различных условиях трения. Разработаны рекомендации по использованию КМ системы «алюминиевые сплавы - твердые частицы керамики» как в действующих узлах трения, так и в проектируемых. Показаны преимущества пары трения КМ системы «алюминиевые сплавы – частицы керамики / сталь» перед парой «бронза / сталь» не только повесовым характеристикам, значениям износа и выдерживаемой нагрузки, но и по стабильности и надежности работы в рабочем режиме. Определены предельные трибопоказатели стабильной работы узлов при разных условиях эксплуатации. Намечены узлы из номенклатуры деталей машиностроения и транспорта, в которых целесообразна замена традиционных материалов рабочих деталей на КМ. Результат исследований и проектные процедуры используются в практике проектирования ООО «Пластметпроект». 

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

  1. Курганова Ю.А., Люлькина Т. В. Особенности эксплуатации КМ в условиях трения / Тезисы докладов XXXI научно-технической конференции, г. Ульяновск: январь-февраль 1997, с. 54-55.
  2. Чернышова Т.А., Курганова Ю.А., Люлькина Т.В. Применение композиционного материала системы Al-SiC в узлах трения / Тезисы докладов 4-го собрания металловедов России, г. Пенза, Приволжский Дом знаний, 1998, с. 13-14.
  3. Курганова Ю.А. Новые материалы для узлов трения / Тезисы докладов Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Технология и оборудование современного машиностроения», г.Уфа: 24-25 ноября 1998, с. 75.
  4. Чернышова Т.А., Курганова Ю.А., Люлькина Т.В. Структурные изменения композитов при трении / Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии-98», г. Москва: 17-18 ноября 1998, с. 99-100.
  5. Люлькина Т.В., Чернышова Т.А., Курганова Ю.А., Ярускин Э.А. Разработка составов и режимов термообработки композиционных материалов в узлах трения / Тезисы докладов XXXIII научно-технической конференции, г. Ульяновск: 19-31 января 1999, с. 32-33.
  6. Чернышова Т.А., Курганова Ю.А., Люлькина Т.В. Математическое моделирование процессов износа при трении / Труды Второй международной конференции «Математическое моделирование физических, экономических, социальных систем и процессов», г. Ульяновск: 10-13 сентября 1999, с. 82.
  7. Курганова Ю.А., Чернышова Т.А., Кобелева Л.И., Люлькина Т.В.,  Берлет Ю.Н. Влияние параметров структуры, условий нагружения и предварительной термообработки на триботехнические характеристики КМ // Металлы, 2000, №6, с. 108-111.
  8. Чернышова Т.А., Курганова Ю.А. Антифрикционные свойства алюмоматричных композиционных материалов, армированных частицами карбида кремния / Труды  Международной конференции «Материалы и покрытия в экспериментальных условиях исследования, применения, экологические технологии производства и утилизации изделий», пос. Кацивели: 17-22 сентября 2000, с.324.
  9. Курганова Ю.А., Чернышова Т.А. Исследование свойств металлокомпозитов на металлической основе // Вестник УлГТУ, 2000, №4 (12), с. 35-39.
  10. Чернышова Т.А., Курганова Ю.А., Жураков А.В. Рентгенографические исследования поверхности трения композитов как фактор, контролирующий свойства антифрикционного материала / Сб. научных трудов «Новые технологии в машиностроении, металлургии, материаловедении и высшем образовании», Н.Новгород, 2001, с. 212-214.
  11. Чернышова Т.А., Курганова Ю.А., Берлет Ю.Н., Парфенов А.Н. Композиционные материалы системы Al-SiC в условиях сухого трения / Сб. научных трудов «Новые технологии в машиностроении, металлургии, материаловедении и высшем образовании», Н.Новгород, 2001, с. 214-217.
  12. Курганова Ю.А., Чернышова Т.А. Возможности управления свойствами КМ / Сб. научных трудов, Магнитогорск,  2002, с. 103-105.
  13. Курганова Ю.А., Чернышова Т.А., Аграев А.А. Литейные триботехнические композиционные материалы на базе алюминиевых сплавов // Литейщик России, 2003, №1, с. 15-16.
  14. Курганова Ю.А., Чернышова Т.А., Мищенко О.В. Анализ влияния частиц в дисперсно-упрочненных металломатричных КМ на основе алюминиевых сплавов / Труды заочной Международной научно-технической конференции «Молодежь Поволжья – науке будущего – 2003г», Ульяновск, 2003, с. 83-85.
  15. Курганова Ю.А., Чернышова Т.А., Мищенко О.В. Изменение свойств дисперсноупрочненных КМ на алюминиевой основе методами термической и механической обработки / Материалы Всероссийской НТК «Современные Проблемы машиностроения и транспорта», Ульяновск, 2003, с. 150-153.
  16. Чернышова Т.А., Кобелева Л.И., Курганова Ю.А. Применение композиционного материала в реальных узлах трения // Материалы ХХIV ежегодная международная конференция «Композиционные материалы в промышленности», Ялта, 2004, с. 183.
  17. Курганова Ю.А., Чернышова Т.А., Кобелева Л.И. Обработка давлением, как способ управления характеристиками композиционных материалов // Кузнечно-штамповочное производство и ОМД, 2004, №11, с. 6-9.
  18. Курганова Ю.А., Чернышова Т.А., Соловьев Г.И. Новые материалы автомобилестроения: композиционный материал системы Al-SiC / труды Международная заочная НТК «Актуальные вопросы промышленности и прикладных наук», Ульяновск, 2004, с. 103-107.
  19. Курганова Ю.А., Чернышова Т.А., Кокорин М.В. Изменение свойств алюмоматричных композиционных материалов, дисперсноупрочненных частицами керамики // Вестник УлГТУ, 2004г, №4, с. 30-32.
  20. Курганова Ю.А., Чернышова Т.А. Искусственные гетерофазные материалы системы Al-SiC в современной промышленности // Труды XXXIX НТК «Вузовская наука в современных условиях», Часть 1, Ульяновск, 2005, с. 27.
  21. Курганова Ю.А., Чернышова Т.А., Кобелева Л.И. Металлокомпозиты для автомобилестроения / труды IV Международной Научно –технической конференции «Автомобиль и техносфера», Казань, 2005, с. 150.
  22. Курганова Ю.А., Гилюк В.С. Композиционные материалы и их применение в промышленности / Труды третьей Международной заочной молодежной НТК ЗМНТК-2005, Ульяновск, 2006, с. 38-40.
  23. Курганова Ю.А., Чернышова Т.А., Кобелева Л.И. Дискретно армированный КМ как альтернатива антифрикционным материалам // Технология металлов, 2005, №10, с. 30-34.
  24. Курганова Ю.А., Нефедова Т.П., Крутихина Н.Ю. Наноструктурные материалы как новый качественный подход к управлению свойствами / Труды третьей Международной заочной молодежной НТК ЗМНТК-2005, Ульяновск, 2006,с. 76-80.
  25. Курганова Ю.А., Чернышова Т.А., Кобелева Л.И. Применение дискретно армированного композиционного материала в узлах трения // Заготовительное производство, 2006, №4, с. 45-47.
  26. Курганова Ю.А., Чернышова Т.А., Кобелева Л.И. Использование интенсивного пластического деформирования с целью наноструктурирования металломатричных дисперсно упрочненных композиционных материалов / Научные труды Всероссийского Свещания материаловедов России, Ульяновск, 2006, с. 72-75.
  27. Курганова Ю.А., Чернышова Т.А. Кобелева Л.И., Болотова Л.К. Композиционные материалы с алюминиевой матрицей в биметаллах, полученных прокаткой // труды Международной конференции «Деформация и разрушение», Москва, 2006, с. 415-417.
  28. Курганова Ю.А., Чернышова Т.А., Кобелева Л.И. Биметалл с износостойким антифрикционным слоем из алюмоматричного КМ / Материалы научно-практической конференции материаловедческих обществ России «Новые градиентные и слоистые композиты», Ершово, 2006, с. 33-34.
  29. Курганова Ю.А., Чернышова Т.А., Кобелева Л.И. Давление как способ управления свойствами материалов // Технология металлов, 2006,№ 12, с. 33-35.
  30. Курганова Ю.А., Байкалов К.О. Особенности получения литых композиционных ДУ частицами керамики материалов на основе алюминиевых сплавов / Материалы XIII Межд. симпозиума «Динамические и технологические проблемы в механики конструкций и сплошных сред», Ярополец, 2007, с. 34-36.
  31. Курганова Ю.А., Чернышова Т.А., Кобелева Л.И., Григоренко Л.А. Исследование свойств зоны соединения биметалла для подшипников скольжения // Производство проката, 2007, №1,с. 34-36.
  32. Курганова Ю.А., Байкалов К.О. Электроплазменное напыление износостойких антифрикционных покрытий / Тезисы докладов научно-технической конференции «ВУЗовская наука в современных условиях» УлГТУ, Ульяновск, 2007,с. 31.
  33. Курганова Ю.А., Чернышова Т.А., Кобелева Л.И. Металломатричные нанокомпозиты, упрочненные частичами керамики / Сборник тезисов 4 международного семинара «Нанаструктурные материалы - 2007», Новосибирск, 2007, с. 62.
  34. Курганова Ю.А. Использование нанотехнологий с целью управления свойствами металломатричных дисперсноупрочненных КМ на основе алюминиевых сплавов // Вестник ФГО УВПО «Московский гос. Агроинженерный университет им. В.П.Горячкина», 2007, № 1 (21), с. 95-97.
  35. Курганова Ю.А., Чернышова Т.А. Разработка порошковых брикетов для изготовления литых композиционных материалов // Физика и химия обработки материалов, 2007, №3, с. 57-61.
  36. Чернышова Т.А. Кобелева Л.И., Болотова Л.К., Курганова Ю.А., Калашников И.Е., Катин И.В. Дисперсно наполненные композиционные материалы для пар трения скольжения // Конструкции из КМ, 2007, № 3, с. 38 -48.
  37. Курганова Ю.А. Повышение механических свойств дискретно-армированных КМ с алюминиевой матрицей // Заготовительные производства в машиностроении, 2007, № 5, с. 46-48.
  38. Курганова Ю.А., Губанова Н.В.  Исследование механических свойств композиционных материалов на основе алюминиевых сплавов / Сб. научных трудов Всероссийского Совещания «Прогрессивные технологии и оборудование  при  обработке  материалов  давлением»,  Ульяновск,  2007, с. 52 – 55.
  39. Курганова Ю.А., Байкалов К.О., Овченкова И.Ю. Технология изготовления композиционных таблеток для получения литого композиционного материала / Сб. научных трудов Всероссийского Совещания «Прогрессивные технологии и оборудование при обработке материалов давлением», Ульяновск, 2007,с. 75 – 78.
  40. Курганова Ю.А., Особенности технологических операций при производстве изделий из дисперсно упрочненных КМ / Сб. научных трудов Всероссийского Совещания «Прогрессивные технологии и оборудование при обработке материалов давлением», Ульяновск, 2007,с. 46 – 49.
  41. Курганова Ю.А., Байкалов К.О. Изменение свойств литых дисперсно упрочненных композиционных материалов на основе алюминиевых сплавов при термомеханической обработке / Труды третьей Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург: 2007, с. 167-168.
  42. Курганова Ю.А., Байкалов К.О. Технологичность дисперсно-упрочненных композиционных материалов на основе алюминиевых сплавов / Материалы двадцать седьмой ежегодной международной конференции «Композиционные материалы в промышленности», Ялта, 2007, с. 382 – 385.
  43. Курганова Ю.А. Универсальные триботехнические материалы на основе алюминиевых сплавов // Технология металлов, 2007, №8, с. 29-32.
  44. Курганова Ю.А. Литейные методы изготовления дисперсно упрочненных КМ на основе алюминиевых сплавов и особенности технологических операций при производстве изделий // Технология металлов, 2007, №9, с. 40 - 43.
  45. Курганова Ю.А., Курганов С.В. Перспективность разработки материалоемких литых изотропных композиционных материалов на основе алюминиевых сплавов // Материалы XIV Межд. симпозиума «Динамические и технологические проблемы в механики конструкций и сплошных сред», Ярополец, 2008, с. 140-141.
  46. Патент № 67902 от 10 ноября 2007 г Устройство для механического легирования материалов на основе цветных сплавов частицами керамики / Курганова Ю.А., Байкалов К.О.

 






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.