Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Дисперсно-наполненные алюмоматричные композиционные материалы - изотропные и градиентные 8
1.1. Общие сведения о композиционных материалах 8
1.2. Анализ способов изготовления дисперсно-наполненных композиционных материалов с матрицами из алюминиевых сплавов 12
1.3. Продукты межфазного взаимодействия при жидкофазных способах изготовления дисперсно-наполненных композиционных материалов 20
1.4. Механические и триботехнические свойства дисперсно-наполненных композиционных материалов 24
1.5. Методы создания градиентных дисперсно-наполненных композиционных материалов 30
1.5.1. Нанесение покрытий из дисперсно-наполненных КМ 31
1.5.2. Модифицирующая обработка поверхности дисперсно-наполненных КМ 32
1.6. Постановка задач исследования 36
Глава 2. Материалы и методы исследования 39
2.1. Составы матричных сплавов и наполнителей для изготовления дисперсно-наполненных КМ и присадочного материала из них 39
2.2 Изготовление дисперсно-наполненных КМ 43
2.2.1. Механическое замешивание армирующего наполнителя в матричный расплав 43
2.2.2. Введение порошковых композиционных брикетов в матричный расплав 46
2.3. Аргоно дуговая наплавка износостойких покрытий из дисперсно-наполненных КМ 49
2.4. Модифицирование поверхностного слоя дисперсно-наполненных КМ 51
2.4.1. Оплавление дугой в магнитном поле 51
2.4.2. Оплавление поверхности лазерным излучением 52
2.5. Выбор допустимой доли наполнителя в присадочном материале из КМ 53
2.6. Методы исследований структуры КМ 55
2.7. Определение механических и триботехнических свойств дисперсно-наполненных КМ и покрытий из них 57
Глава 3. Исследование структуры и свойств дастарсно-наполненных КМ на основе алюминиевых сплавов, упрочненных частицами карбида титана и карбида кремния 63
3.1. Изготовление и структура образцов дисперсно-наполненных КМ 63
3.1.1. КМ системы сплавы А1- S ІС 63
3.1.2. КМ системы сплавы А1-ТІС 72
3.2. Механические свойства дисперсно-наполненных КМ 80
3.3. Выводы по главе 3 85
Глава 4 Поведение при трении скольжения дисперсно-наполненных КМ 87
4.1. Коэффициент трения и интенсивность изнашивания матричных сплавов и образцов КМ 87
4.2. Поверхность трения матричных сплавов и образцов КМ 104
4.3. Анализ продуктов изнашивания и механизмов изнашивания 111
4.4. Выводы по главе 4 117
Глава 5 Покрытии из композиционных материалов
5.1. Сравнение жидкотекучести композиционных расплавов, содержащих частицы SiC и ТІС 119
5.2. Выбор доли наполнителя в присадочных прутках из КМ 122
5.3. Изготовление присадочного композиционного материала 125
5.4. Дуговая наплавка износостойких композиционных слоев 129
5.5. Результаты испытаний наплавленных слоев из КМ на трение и износ 138
5.6. Выводы по главе 5 147
Глава 6. Модифицирующая обработка поверхности дисперсно-наполненных композиционных материалов 149
6.1. Дуговое оплавление поверхности образцов КМ с воздействием на дугу магнитным полем 150
6.2. Модифицирующая обработка образцов КМ лазерным оплавлением 157
6.3. Результаты испытаний модифицированных поверхностных КМ слоев на трение и износ 163
6.4. Выводы по главе 6 172
Основные выводы 174
Список литературы 177
Приложение 194
- Анализ способов изготовления дисперсно-наполненных композиционных материалов с матрицами из алюминиевых сплавов
- Механическое замешивание армирующего наполнителя в матричный расплав
- Коэффициент трения и интенсивность изнашивания матричных сплавов и образцов КМ
- Результаты испытаний модифицированных поверхностных КМ слоев на трение и износ
Введение к работе
Актуальность работы. Развитие современной техники требует поиска и создания новых конструкционных и функциональных материалов. Новым классом таких материалов, обладающих комплексом эксплуатационных свойств, который не может быть достигнут на базе традиционных материалов, являются композиционные материалы (КМ).
В настоящее время в промышленности применяют КМ на основе практически всех технически важных металлических материалов. Однако наибольшее распространение получили КМ на основе алюминия и его сплавов, содержащие в качестве наполнителя дисперсные высокопрочные, высокомодульные керамические частицы. Дисперсно-наполненные алюмоматричные КМ характеризуются повышенными значениями удельной прочности и жесткости при сохранении высокой демпфирующей способности, электро- и теплопроводности и малого удельного веса, что обеспечивает снижение массы изделий при одновременном повышении надежности и ресурса работы. Согласно результатам работ отечественных и зарубежных исследователей при соответствующем выборе материала матрицы, размера, доли и типа армирующих частиц такие КМ обладают низкими значениями коэффициента трения, а также высокой износостойкостью и задиростойкостью в широком интервале температур. Кроме того, хорошие литейные свойства, возможность пластической и механической обработки, малый вес и низкая стоимость обеспечивают перспективность и экономическую целесообразность применения таких материалов в машиностроении, особенно в подвижных сопряжениях механизмов и машин. КМ с матрицами из сплавов алюминия получают преимущественно жидкофазными методами, обеспечивающими более прочную межфазную связь по сравнению с твердофазными методами и, как следствие, лучшие свойства КМ. Наибольшее применение такие КМ получили в узлах трения механизмов, работающих в экстремальных условиях.
На сегодняшний день наиболее изученными являются КМ, армированные частицами карбида кремния. Однако исходя из теоретических предпосылок, КМ системы Al-TiC (КМ с матрицей из сплавов алюминия, армированных частицами карбида титана) могут превзойти по комплексу свойств КМ системы Al-SiC, так как карбид титана обладает лучшими прочностными свойствами (твердостью, пределом прочности, модулем упругости и т.д.) и лучшей термодинамической совместимостью со сплавами на основе алюминия. Однако изготовление КМ системы Al-TiC еще не вышло из стадии лабораторной отработки, и исследования, касающиеся КМ этой системы, недостаточны для характеристики их работоспособности в составе трибосопряжений.
Во многих случаях процесс изготовления из КМ массивных деталей
с макрооднородной структурой оказывается технологически сложным
и не оправданным экономически. Перспективным направлением,
отвечающим современным тенденциям, является создание функционально
армированных, или градиентных, композиционных материалов, в которых
необходимые специальные свойства могут быть получены в заданных
зонах, например, в поверхностных слоях, если детали работают в условиях
трения и изнашивания. Разработка технологий формирования градиентных
композиционных материалов (ГКМ) должна существенно улучшить
технико-экономические характеристики деталей, расширить диапазон
эксплуатационных нагрузок, увеличить срок службы. Среди известных
способов формирования ГКМ (центробежное литье, пропитка преформ
переменного состава, нанесение покрытий) к наиболее технологичным
можно отнести дуговую наплавку на рабочие поверхности деталей,
для которой, однако, необходим присадочный материал из КМ.
При разработке таких присадочных материалов появляется возможность
ремонта и восстановления деталей из КМ после длительной эксплуатации.
Другим способом изменения свойств поверхностных слоев гетерофазных
материалов может стать модифицирующая обработка
высококонцентрированными источниками энергии (лучом лазера, электрической дугой в магнитном поле). Однако работ по нанесению покрытий из КМ и модифицированию поверхности объемно армированных КМ практически нет.
Из вышеизложенного следует, что разработка технологии изготовления дисперсно-наполненных алюмоматричных КМ и ГКМ на их основе, оценка свойств этих КМ, в том числе и триботехнических, является актуальной. Работа отвечает приоритетному направлению «Разработка методов получения химических веществ и создание новых материалов» Программы фундаментальных исследований Президиума РАН и выполнена в рамках проектов РАН ОХМН-3 и П18 в 2007-2009 гг., грантов РФФИ №05-03-32217-а, №08-03-12024-офи и научной школы НШ-2991-2008.3.
Целью работы является разработка объемно армированных КМ на основе алюминия и его сплавов, упрочненных частицами карбидов титана и кремния, исследование структуры и свойств этих КМ, а также разработка составов и технологий формирования ГКМ на основе этих систем.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Разработать технологию изготовления литых дисперсно-
наполненных КМ системы А1-ТІС.
2. Провести анализ состава межфазных продуктов, структуры
и свойств литых КМ систем Al-ТіС и Al-SiC в зависимости от режимов
совмещения и состава (материала матрицы и наполнителя, доли и размера
армирующих частиц).
Провести сравнительное исследование триботехнических свойств КМ систем Al-ТіС и Al-SiC. Выявить влияние условий нагружения и состава КМ на механизмы изнашивания и определить допустимые диапазоны трибонагружения.
Разработать технологию изготовления ГКМ на основе алюминия и его сплавов методами дуговой наплавки покрытий из КМ. Разработать присадочный материал для дуговой наплавки, определить режимы дуговой наплавки, исследовать структуру и свойства наплавленных композиционных покрытий.
5. Разработать технологию модифицирующей обработки
поверхности КМ высококонцентрированными источниками энергии (дугой
в магнитном поле, лазерным излучением). Определить составы КМ,
пригодные для модифицирующей обработки, схемы и технологические
параметры процессов получения ГКМ. Исследовать структуру и свойства
модифицированных КМ, оценить их работоспособность в сопоставлении
с исходными литыми образцами.
Научная новизна.
1. Установлено, что физико-химические свойства частиц карбида
титана, а именно, термодинамическая стабильность, металлическая
составляющая связи, теплопроводность, удельный вес позволяют
осуществить жидкофазный процесс изготовления композиционных
материалов системы Al-ТіС механическим замешиванием наполнителя в
матричный расплав. Благодаря лучшей смачиваемости распределение
частиц ТіС в алюминиевой матрице характеризуется большей
однородностью, чем в композиционных материалах системы Al-SiC
(параметр кластеризации, определенный по методу мозаик Дирихле, в КМ
АК12М2МгН-10мас.%ТіС(4о-юо) и AK12M2MrH-10Mac.%SiC(40) равен соответственно 0,69 и 0,81).
2. Показано, что удовлетворительные литейные свойства дисперсно-
наполненных алюмоматричных композиционных материалов делают
возможным изготовление градиентных функционально армированных
композиционных материалов методом дуговой наплавки. При этом
требуемое качество формирования наплавленных слоев достигается при
содержании в присадочном материале до 10 мас.% частиц TiC и SiC, если
средний размер частиц 14 мкм, и при более высоком содержании, если
средний размер частиц 40 мкм. Легирование матрицы присадочного
материала кремнием в количестве, близком к эвтектическому,
обеспечивает при наплавке необходимую жидкотекучесть и сохранение
наполнителя в наплавленных слоях.
3. Установлена возможность почти на порядок повысить
дисперсность матриц литых композиционных материалов без деградации
армирующих частиц при модифицирующей обработке электрическим
дуговым разрядом в магнитном поле или лучом лазера за счет закалочных
скоростей охлаждения оплавленного слоя. Такая обработка способствует повышению твердости на 20-40% и износостойкости поверхностных слоев в 1,5-2 раза.
4. Сформулированы закономерности поведения дисперсно-наполненных алюмоматричных КМ в условиях сухого трения скольжения против контртела из закаленной стали. Показано, что введение армирующих частиц SiC и ТіС в матричные алюминиевые сплавы приводит к повышению стабильности процесса трения, снижению коэффициента трения, увеличению значений критических нагрузок перехода от мягкого режима изнашивания к интенсивному и повышению износостойкости благодаря формированию на поверхности трения переходного защитного слоя в виде механической смеси из материала матрицы, контртела, армирующих частиц и их окислов.
Практическая значимость.
Разработана и реализована жидкофазная технология получения дисперсно-наполненных алюмоматричных КМ путем механического замешивания частиц ТіС и SiC размером до 100 мкм с долей армирования до 17 мас.%. Определены режимы механического замешивания частиц ТіС и SiC в матричные расплавы алюминиевых сплавов.
Разработаны составы и технология изготовления прутков из алюмоматричных КМ для наплавки износостойких покрытий (патент на изобретение №2361710, приоритет от 12.02.2008). Определены схемы и режимы аргонодуговой наплавки, обеспечивающие получение покрытий, обладающих композиционной структурой с заданной долей армирования и удовлетворительным распределением наполнителя.
Определены схемы и технологические режимы обработки литых КМ и ГКМ дуговым разрядом в магнитном поле и лучом лазера, позволяющие повысить дисперсность матрицы в поверхностном слое в 5-10 раз, увеличить твердость на 20-40%, износостойкость в 1,5-2 раза.
Изготовлены опытные образцы КМ систем Al-ТіС и Al-SiC для испытаний на ООО «ПК. Борец» «Центр разработки нефтедобывающего оборудования» (ЦРНО). Присадочные прутки опробованы на предприятии ООО «НПП КУРС» при ремонте редукторного механизма локаторной установки. Модифицирующую обработку поверхности предполагается опробовать на рабочих поверхностях теплоэнергетического оборудования, эксплуатирующегося в экстремальных условиях, на предприятии ООО «АГНИ-К». Имеются справки о применении разработок от соответствующих предприятий.
Методы исследования и достоверность полученных результатов.
Достоверность результатов и выводов диссертации обеспечена использованием современных методов исследования. Металлографический анализ структуры образцов проводили с использованием оптических
микроскопов Neophot и Leica DMILM с программой Qwin для анализа изображений, а также растровых электронных микроскопов Leo 43Oi и FEI Quanta 3D FEG, оснащенных приставками для микроанализа. Механические свойства оценивали путем испытаний образцов на сжатие на установке Instron 3382 и измерений твердости по Бринеллю (НВ) на приборе Wilson Wolpert и микротвердости на приборе WHV-CCD. Испытания на трение и износ литых КМ, образцов с наплавленными покрытиями и после модифицирующей обработки осуществляли на универсальной машине трения МТУ-01 (ТУ 42-71-001-29034600-2004) в условиях сухого трения скольжения. Анализ фрактограмм изломов, а также поверхностей трения и продуктов изнашивания (дебриса) проводили методами оптической, растровой электронной микроскопии и рентгеновского энергодисперсионного анализа. Обработку результатов экспериментальных исследований осуществляли с использованием стандартных программ Microsoft Exel и MathCAD.
Интерпретация результатов исследований базируется на современных представлениях о структуре и свойствах гетерофазных материалов, механизмах трения и изнашивания.
Апробация работы.
Основные результаты работы доложены и обсуждены на
Конференции молодых научных сотрудников и аспирантов Института
металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН (Москва, 2006,
2007, 2008, 2009 гг.); 2-ой Всероссийской конференции по наноматериалам
(НАНО-2007) (Новосибирск, 2007 г.); IX Российско-китайском
Симпозиуме «Новые материалы и технологии» (Астрахань, 2007 г.);
Международной конференции «Junior Euromat-2008» (Швейцария,
Лозанна, 2008 г.); V международной конференции «Материалы и покрытия
в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически
чистые технологии производства и утилизации изделий» (Украина, Крым,
Большая Ялта, Жуковка, 2008 г.); Научно-технической конференции
с участием иностранных специалистов «Трибология - Машиностроению»
(Москва, 2008 г.); 6-ой международной конференции «Теория и практика
технологии производства изделий из композиционных материалов и новых
металлических сплавов» (Москва, 2009 г.); VI Международной
конференции «High Temperature Capillarity-2009» (Греция, Афины, 2009
г.); VIII международной научно-технической конференции «Современные
металлические материалы и технологии (СММТ-2009)» (Санкт-Перербург,
2009 г.); VI международной научной школе-конференции
«Фундаментальное и прикладное материаловедение» (Барнаул, 2009 г.),
II Международном форуме по нанотехнологиям (Москва, 2009 г.),
IX Международной научной конференции «Трибология и надежность»
(Санкт-Петербург, 2009 г.), III международной конференции «Деформация
и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, 2009 г.),
X Китайско-Российском Симпозиуме «Новые материалы и технологии» (КНР, Дзясин, 2009 г.).
Публикации. Материалы диссертации отражены в 24 печатных работах, в том числе 6 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы из 161 наименования, изложена на 202 страницах машинописного текста, содержит 94 рисунка, 36 таблиц.
Анализ способов изготовления дисперсно-наполненных композиционных материалов с матрицами из алюминиевых сплавов
Современное машиностроительное производство требует разработки новых конструкционных материалов. Среди них наибольшим потенциалом обладают композиционные материалы (КМ).
Согласно многочисленным работам в области материаловедения КМ основные признаки КМ сводятся к следующему [1-15]: материал отсутствует в природе в естественном виде и является искусственно созданным продуктом; материал содержит два или более компонентов (фаз), отличающихся по своему составу и разделенных четко выраженными границами; в материале заранее проектируется сочетание, форма, размер и распределение компонентов; свойства материала определяются каждым из его компонентов, которые присутствуют в нем в достаточных количествах; материал обладает такими свойствами, какими не обладают его компоненты, взятые в отдельности; материал является неоднородным в микромасштабе, но может быть однороден макроскопически. Однако в последние годы получает широкое развитие функциональное армирование, т.е. создание градиентных композиционных материалов (ГКМ). В отличие от традиционных изотропных материалов ГКМ характеризуются наличием пространственно неоднородных структур, благодаря которым они приобретают новые свойства и новые функции.
Сочетание в одном материале веществ, существенно различающихся по химическому составу и физическим свойствам, выдвигает на первый план при разработке, изготовлении и эксплуатации КМ проблемы термодинамической и кинетической совместимости компонентов [4]. Под термодинамической совместимостью понимают способность матрицы и армирующего наполнителя находиться в состоянии термодинамического равновесия неограниченное время при температурах получения и эксплуатации. Кинетической совместимостью называют способность компонентов КМ сохранять метастабильное равновесие в определенных температурно-временных интервалах. Проблема кинетической совместимости имеет два аспекта: 1) физико-химический - обеспечение прочной связи между компонентами при одновременном ограничении на поверхностях раздела процессов растворения, гетеро- и реакционной диффузии, которые ведут к образованию хрупких продуктов взаимодействия и деградации прочности армирующих фаз и КМ в целом; 2) термомеханический - при сохранении прочной связи между компонентами достижение минимального уровня внутренних напряжений термического и механического происхождения; снижение их уровня; обеспечение благоприятного соотношения между деформационным упрочнением матрицы и ее способностью к релаксации напряжений, предупреждающей перегрузку и преждевременное разрушение упрочняющих фаз. Существует ряд приемов обеспечения физико-химической совместимости компонентов в КМ [1]: - выбор в качестве наполнителей КМ веществ, химически стойких в контакте с матрицами при высоких температурах; - нанесение на армирующие наполнители барьерных покрытий; - применение матриц такого состава, при котором ограничено химическое взаимодействие на поверхностях раздела за счет уменьшения растворения наполнителя или образования сегрегации, экранирующих взаимодействие; - уменьшение длительности пребывания КМ при температурах интенсивного межфазного взаимодействия. Термомеханическую совместимость обеспечивают: - выбором матричных сплавов и упрочняющих элементов с минимальными различиями в модулях упругости, коэффициентах Пуассона, коэффициентах термического расширения; - применением промежуточных слоев и покрытий, уменьшающих различия в физических свойствах матрицы и наполнителей; переходом к полиармированию, т.е. сочетанию в одном КМ армирующих частиц, различающихся по размеру, составу и физическим свойствам; - выбором формы деталей и соединений из КМ, схемы и масштаба армирования, морфологии, размера и объемной доли наполнителей. Наиболее универсальными являются КМ с металлическими матрицами, которые обладают высокими значениями прочности (в сочетании с высокой вязкостью разрушения), удельной прочности и жесткости (отношения предела прочности и модуля упругости к плотности о/у и Е/у); а также высокой жаропрочностью; малой чувствительностью к тепловым ударам, облучению, наличию поверхностных дефектов; хладостойкостью, высокими демпфирующими свойствами, электро- и теплопроводностью, технологичностью при конструировании и обработке. Правильный выбор материала матрицы обеспечивает сохранение характеристик исходных компонентов и позволяет получать КМ, отвечающие конкретным условиям работы.
В настоящее время в промышленности применяют КМ на основе практически всех технически важных металлических материалов [1-15]. Однако наибольшее распространение получили КМ на основе алюминия и его сплавов. Основными преимуществами алюмоматричных КМ являются высокие показатели теплопроводности, теплоемкости, высокие технологические свойства и низкий вес. Введение в алюминиевую матрицу армирующих наполнителей существенно повышает прочность, вязкость разрушения и несущую способность материала при незначительном увеличении массы. Дисперсно-наполненные КМ на основе алюминиевых сплавов обладают наилучшим сочетанием механических и триботехнических свойств, что определяет успех их применения в промышленности, особенно в узлах трения [16-20].
Механическое замешивание армирующего наполнителя в матричный расплав
С позиции достижения наиболее высоких характеристик прочности и жесткости именно дисперсно-наполненные КМ систем Al-SiC и А1-ТІС представляют наибольший интерес, поскольку обладают лучшими механическими свойствами в сравнении в дисперсно-наполненными КМ, армированными фазами другого типа. Эти же системы активно изучаются отечественными и зарубежными учёными как перспективный материал для трибосопряжений [23-27, 34, 35, 69-86].
В общем случае наличие в пластичных алюминиевых матрицах твердых дисперсных частиц повышает износостойкость сплавов. Этот факт отмечен еще при изучении триботехнических свойств силуминов [87-90]. В работах [87, 90] показано, что износ образцов из заэвтектических сплавов системы Al-Si в условиях сухого трения скольжения снижается с увеличением в структуре сплавов объемной доли кристаллов кремния. Уменьшению износа способствует также измельчение первичных кристаллов кремния при модифицировании силуминов, что связывают с уменьшением на поверхности трения общей площади и относительных размеров участков твердого раствора, склонного к схватыванию. Согласно данным [90], сплавы алюминия, содержащие дисперсные фазы высокой твердости, отличаются повышенным сопротивлением "заеданию", особенно при высоких скоростях скольжения.
Введение в алюминий и его сплавы армирующих частиц микронных размеров с резко отличной от матрицы твердостью приводит к увеличению износостойкости [23]. При соответствующем выборе состава матричных сплавов и объемной доли наполнителя КМ обладают высокой прирабатываемостью и низкими коэффициентами трения.
Согласно современным представлениям, износостойкость гетерофазных материалов является интегральной характеристикой, зависящей от физико-химических свойств составляющих материалы фаз и их соотношения. В работе [80] для определения удельного сопротивления КМ абразивному износу предложено уравнение: где Qp и Qm — удельное сопротивление износу соответственно наполнителя и матрицы; Ар и Ат — площади, занятые на поверхности трения частицами наполнителя и матрицей; А — общая площадь трения. Из уравнения (1.10) следует, что КМ с большей объемной долей наполнителя, обладающего высоким сопротивлением износу, должны иметь лучшую износостойкость. Более прочные (твердые) частицы с высоким сопротивлением схватыванию при прочих равных условиях (равные объемная доля, фракционный состав, одинаковая прочность связи по межфазным границам) должны существеннее повышать сопротивление_ износу. При сопоставлении эффективности влияния на износ упрочняющих фаз различной природы особенно важна прочность межфазной связи, так как она определяет соотношение механизмов изнашивания: механического (абразивного, усталостного) или молекулярно-механического (адгезионного). В случае слабой связи частиц с матрицей из-за выкрашивания частиц возрастает роль абразивного изнашивания.
В работах, касающихся поведения дисперсно-наполненных КМ на основе алюминиевых сплавов в условиях трения скольжения без смазки, рассмотрено влияние таких факторов, как контактное давление [69-73, 91, 92], скорость скольжения [72-74], температура [75, 76], материал контртела [71, 72] и матрицы [26, 77], объемное содержание [25, 26, 70, 92] и размер частиц наполнителя [26], влияние предварительной термообработки КМ [77, 78]. Механизмы повреждения многофазных материалов при трении скольжения и причины улучшения триботехнических характеристик при введении в мягкую матрицу высокопрочных частиц обсуждается в работах [26, 79-86]. Отмечают сложность и многообразие процессов, происходящих в поверхностных слоях КМ, работающих в трибосопряжении.
Экспериментальные результаты, полученные в работах [25, 26, 75, 92], показывают, что увеличение размера и объемной доли керамических частиц в алюминиевых сплавах приводит к снижению скорости износа и увеличению критического контактного давления, при котором наблюдается переход от умеренного типа изнашивания к жесткому. Однако с ростом степени армирования КМ происходит увеличение скорости износа контртела, поэтому необходима корректировка состава КМ с учетом материала контртела и условий трибонагружения [71, 73, 74]. При равном объемном содержании частиц наиболее высокие триботехнические свойства - низкий коэффициент трения, задиростойкость - характерны для КМ с более прочной матрицей [26, 77].
Значительное влияние на триботехнические свойства КМ оказывает тип упрочняющей фазы. Установлено, что наибольшее увеличение износостойкости КМ, изготовленных методами литья, достигается при использовании в качестве наполнителей керамических частиц SiC, ТіС, А1г03 [74]. Сравнение характера изнашивания КМ, содержащих частицы карбида кремния (SiC) и оксида алюминия (А1203), показало преимущества первых, так как они имеют большие значения твердости и сопротивления разрушению вследствие большей твердости частиц SiC (табл. 1.1) и лучшей связи между матрицей и армирующими частицами [26, 75]. Использование в качестве упрочнителя частиц ТіС приводит к наибольшему увеличению износостойкости КМ по сравнению с армированием другими упрочняющими частицами при прочих равных условиях (одинаковый размер частиц и их объемное содержание в КМ) [34, 93].
Коэффициент трения и интенсивность изнашивания матричных сплавов и образцов КМ
Из литературного обзора следует, что дисперсно-наполненные композиционные материалы систем Al-SiC и AliC обладают рядом ценных физических и технологических свойств. Введение в алюминиевые сплавы армирующих частиц карбида кремния или карбида титана не только повышает модуль упругости и твердость сплавов, но и обеспечивает высокую износостойкость и низкие значения коэффициента трения в широком диапазоне параметров нагружения по сравнению с традиционными материалами триботехнического назначения. Поэтому дисперсно-наполненные КМ систем Al-SiC и AliC являются весьма перспективными для применения в узлах трения.
Среди методов изготовления КМ предпочтительными являются жидкофазные методы, потому что обеспечивают максимальный, по сравнению с твердофазными методами, уровень свойств КМ, в результате образования прочной межфазной связи. Кроме того, жидкофазные методы изготовления КМ экономически целесообразны, поскольку допускают использование стандартного литейного оборудования и позволяют получать готовые изделия необходимой формы и размера без дополнительной механической обработки.
Система Al-SiC является термодинамически нестабильной, т.е. в данной системе при повышенных температурах между расплавом алюминиевой матрицы и карбидом кремния происходит химическое взаимодействие с образованием карбида алюминия, резко снижающего эксплуатационные свойства КМ. В отличие от системы Al-SiC, дисперсно-наполненные КМ, армированные частицами ТІС, являются термодинамически стабильным, т.е. вероятность деградации наполнителя в данной системе практически отсутствует.
Анализ литературных и патентных источников показал, что КМ, армированные частицами ТіС, на сегодняшний день являются практически не изученными. Отсутствует отечественный опыт совмещения (ex-situ, in-situ) частиц TiC и матричного расплава при изготовлении КМ жидкофазными методами. Кроме того, нет надежных данных о триботехнических свойствах КМ этой системы.
Особый интерес представляет создание ГКМ на основе сплавов алюминия, армированных частицами SiC и TiC, характеризующихся наличием пространственно неоднородных структур, обеспечивающих новые свойства и функции таких материалов. Применение ГКМ особенно целесообразно в изделиях, в которых поверхностный слой определяет работу механизма в целом (например, в трибосопряжениях), поскольку исключает затраты на изготовление объемных изделий, обладающих свойствами, предъявляемыми исключительно к поверхностному слою.
Наиболее перспективными для внедрения в промышленность являются способы получения ГКМ путем нанесения покрытий из КМ на рабочие поверхности деталей методом дуговой наплавки или модифицирующей обработки концентрированными источниками энергии (лазерным лучом, сварочной дугой в магнитном поле) готовых изделий из КМ с целью повышения свойств рабочего поверхностного слоя. Однако существует ряд причин, ограничивающих внедрение в промышленность этих методов, среди которых: - отсутствие присадочного материала для дуговой наплавки КМ покрытий, обеспечивающего удовлетворительное формирование наплавленного слоя при сохранении и равномерном распределении упрочняющих частиц в нем, а также отсутствие их деградации в процессе наплавки; - отсутствие рекомендаций по выбору составов КМ, пригодных для модифицирующей обработки концентрированными источниками энергии; - отсутствие рекомендаций по выбору технологических параметров лазерной обработки поверхности КМ в процессе которой не происходит деградация наполнителя; - отсутствие опыта обработки поверхности дисперсно-наполненных КМ дугой с воздействием на нее магнитным полем. В связи с изложенным в данной работе поставлены следующие задачи: 1. Разработать технологию изготовления литых дисперсно наполненных КМ системы AliC. 2. Провести анализ состава межфазных продуктов, структуры и свойств литых КМ систем AliC и Al-SiC в зависимости от режимов совмещения и состава (материала матрицы и наполнителя, доли и размера армирующих частиц). 3. Провести сравнительное исследование триботехнических свойств КМ систем AliC и Al-SiC. Выявить влияние условий нагружения и состава КМ на механизмы изнашивания и определить допустимые диапазоны трибонагружения. 4. Разработать технологию изготовления ГКМ на основе алюминия и его сплавов методами дуговой наплавки покрытий из КМ. Разработать присадочный материал для дуговой наплавки, определить режимы дуговой наплавки, исследовать структуру и свойства наплавленных композиционных покрытий. 5. Разработать технологию модифицирующей обработки поверхности КМ высококонцентрированными источниками энергии (дугой в магнитном поле, лазерным излучением). Определить составы КМ, пригодные для модифицирующей обработки, схемы и технологические параметры процессов получения ГКМ. Исследовать структуру и свойства модифицированных КМ, оценить их работоспособность в сопоставлении с исходными литыми образцами.
Результаты испытаний модифицированных поверхностных КМ слоев на трение и износ
Исследования структуры литых, наплавленных и модифицированных КМ проводили с использованием световых микроскопов Neophot и Leika DMILM, снабженного программным обеспечением Qwin для анализа изображений, а также растровых электронных микроскопов Leo 43Oi и FEI Quanta 3D FEG, оснащенных приставками для микроанализа.
Шлифы изготавливали механическим шлифованием на наждачной бумаге разной зернистости (номера наждачной бумаги 400-800-1500-2000-2500), механическим полированием поверхности шлифа суспензией окиси хрома Сг203 в воде с доводкой шлифа полированием поверхности на алмазной пасте (размер частиц алмаза менее 0,1 мкм). Проведение последней операции необходимо для получения высококачественных шлифов исключительно в КМ, состоящих из пластической матрицы и высокопрочных дисперсных армирующих частиц. Структуру образцов исследовали в исходном состоянии и после травления. Для травления применяли реактив 10мл HF(40%) - 15мл НС1 (конц.) - 90мл Н20. После обработки поверхности шлифов реактивом образцы промывали водой, 3% раствором HN03 в воде и снова водой. Фазовый состав определяли на дифрактометре ДРОН-ЗМ. Элементный состав образцов определяли химическим анализом. Проводили фрактографические исследования изломов образцов.
Размер структурных составляющих и однородность распределения наполнителя в матрице оценивали несколькими методами, базирующимися на обработке данных металлографического анализа: среди них расчет величины зерна согласно ГОСТ 5639-82, метод случайных точек Глаголева, метод хорд Спектора, метод Салтыкова определения среднего размера аггломераций, метод равноячеистого разбиения и оцифровывания фотоизображений структур, метод мозаик Дирихле и др. [130-137]. Последний метод считают наиболее достоверным [135-137]. Суть метода мозаик заключается в построении вокруг каждой армирующей частицы ячейки в форме многоугольника, ограничивающего область, прилегающую к данной частице. Стороны ячеек образованы перпендикулярами к середине отрезков, соединяющих центры соседних частиц. Построенные таким образом мозаики подвергают компьютерной обработке с целью определения площади каждой ячейки (АО, среднего значения площадей ячеек (А) и дисперсии V: где п - число ячеек.
На базе произведенных измерений с помощью метода Монте-Карло определяют случайное распределение ячеек по размерам. Сравнивают реальную картину распределения частиц и результаты статистического моделирования. Для этой цели применяют параметр кластеризации Р. где Vr - дисперсия значений площадей для картины случайного распределения. В результате такого сравнения структуру КМ оценивают как: а) сильно кластеризованную (Р 1); б) слегка регулярную (0,5 Р 1); в) регулярную в значительной степени (Р 0,5) [136, 137].
Для оценки поведения образцов при деформировании и качества межфазной связи в образцах из КМ проводили испытания на статическое сжатие (ГОСТ 25.503-97). Испытания осуществляли на установке Instron 3382 при скорости нагружения 1 мм/мин и максимальной нагрузке 100 кН. Образцы для испытаний имели цилиндрическую форму (диаметр d=6 мм, высота п=9 мм). Для уменьшения погрешности измерений механических характеристик проводили испытания не менее 3-х образцов одного состава.
Измеряли твердость и микротвердость образцов. Измерения твердости по Бринеллю НВ проводили на приборе Wilson Wolpert 93ON путем вдавливания индентора (стального шарика диаметром 2,5 мм) при нагрузке 620 Н в течение 15 с. Выбор размера индентора и величины нагрузки обусловлен необходимостью получения отпечатка на поверхности шлифа, занимающего площадь, содержащую не менее 5-8 армирующих частиц, что позволяет оценивать эффект армирования.
Измерения микротвердости (твердость по Виккерсу - HV) проводили на приборе WHV-CCD путем вдавливания интентора (алмазной пирамидки) при нагрузке 0,5 Н в течение 10 с. Измерения величины микротвердости позволяют оценивать упрочнение матрицы, а также получить количественные данные о свойствах поверхностных слоев материала при модифицировании, нанесении покрытий и трении.
Для уменьшения погрешности измерений твердости и микротвердости выполняли не менее 10 замеров на каждом участке. Трибологические испытания проводили на литых образцах из КМ, а также на КМ с модифицированным и наплавленным поверхностным слоем и на образцах литых матричных сплавов для сравнения.
Трибологические испытания материалов включают в себя оценку антифрикционных, противоизносных и противозадирных свойств, долговечности в заданных условиях, изменения их функционального поведения в процессе работы и их соответствия требованиям эксплуатации трибосопряжений. Подобные испытания могут проводиться либо на лабораторных установках с испытательными образцами простой геометрической формы (пластины, цилиндры, сферы и т. д.), либо на установках и стендах, образцы для которых представляют собой серийные детали (например, пара кулачок-толкатель) [138].
Для лабораторных исследований используют машины трения или устройства для воспроизведения трибологического процесса в контролируемых условиях, обеспечивающие контроль входных и выходных параметров. Современные машины трения обеспечивают широкий диапазон изменения условий испытаний. В контакте трущихся тел может быть воспроизведено скольжение, качение, качение со скольжением, верчение (рис.2.11). В табл. 2.4 представлена классификация наиболее часто встречающихся схем трения, реализованных в лабораторных установках для испытания материалов пар трения, отличающихся как относительным перемещением (однонаправленным, знакопеременным), так и коэффициентами взаимного перекрытия трущихся поверхностей. Очевидно, что испытания, осуществляемые по разным схемам, дают не сопоставимые между собой результаты.
Типовая машина трения включает в себя привод, осуществляющий относительное перемещение контактирующих образцов; устройства для установки испытательных образцов; устройства для нагружения узла трения; устройства для контроля выходных параметров; ряд дополнительных устройств (для подачи смазочного материала на фрикционный контакт, нагрева узла трения или создания в нем криогенных температур, для обеспечения проведения испытания в контролируемой атмосфере и т. д.) [138].
