Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 7
1.1 Организация и ход процесса МЛ 7
1.1.1. Механизм разрушения частиц 7
1.1.2. Механизм холодной сварки 10
1.1.3. Стадии МЛ 12 1.1.4 Влияние ПАВ на процесс МЛ 16
1.2. Особенности структуры и свойств МЛ материалов 18
1.2.1. Формирование мелкозернистой структуры 18
1.2.2. Упрочнение частицами 21
1.2.3. Образование пересыщенных твердых растворов 22
1.2.4. Аморфизация структуры 23
1.3. Дисперсноупрочненные КМ на основе алюминия и его сплавов 24
1.4 Оборудование для МЛ 34
1.5 Вторичное алюминиевое сырье как материал для создания МЛ КМ 42
Выводы по разделу 1 43
2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 45
2.1. Исследуемые материалы 45
2.2. Исходные материалы 48
2.3. Обработка в планетарной мельнице 49
2.4. Обработка в вибрационной мельнице 50
2.5. Получение консолидированных образцов 51
2.6. Расчет фазовых диаграмм состояния 51
2.7. Исследование структуры и свойств
2.7.1. Структурные исследования 51
2.7.2. Рентгеноструктурный анализ 52
2.7.3 Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС)
2.7.4. Определение микротвердости, твердости и длительной твердости 54
2.7.5. Испытания на сжатие консолидированных образцов 55
2.7.6. Трибологические испытания 5 5
2.7.7. Определение линейного коэффициента термического расширения (КТР) 57
2.7.8. Определение плотности
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КМ НА
ОСНОВЕ ВТОРИЧНОГО АЛЮМИНИЕВОГО СЫРЬЯ. 59
3.1. Исследование формирования структуры и свойств КМ из разнородной по
составу шихты 59
3.1.1. Формирование КМ на основе разнородной матрицы, механически
легированных керамическими частицами, введенными в состав шихты 59
3.1.2. Формирование КМ на основе разнородной матрицы во время обработки в
вибрационной мельнице в воздушной атмосфере 73
3.2. Исследование формирования структуры и свойств КМ на основе системы А1 Mg во время обработки в вибрационной мельнице в воздушной атмосфере 87
3.2.1. Исследование влияния содержания Mg на кинетику окисления алюминиевого сплава в процессе МЛ в воздушной атмосфере 87
3.2.2. Получение КМ на основе сплава АМгб путем обработки в воздушной атмосфере 96
3.3. Структура и свойства МЛ КМ на основе сложноутилизируемого вторичного
алюминиевого сырья 100
3.3.1. МЛ КМ на основе отходов электролитического производства высокочистого
алюминия 100
3.3.1.1. Исследование влияния фазового состава на процессы измельчения интерметаллидных фаз в сплавах системы А1 - Fe - Si и А1 - Fe - Si - Си в процессе МЛ в планетарной мельнице 101
3.3.1.2. Исследование структуры и свойств материала на основе сплава А1-25%Си 10%Fe-10%Si 116
3.3.2. МЛ КМ на основе отвальных отходов сложного состава 119
Выводы по разделу 3 123
4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ИЗГОТОВЛЕНИЮ
ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ ВЫСОКООБОРОТНЫХ ВТУЛОК ИЗ МЛ КМ НА
ОСНОВЕ ВТОРИЧНОГО АЛЮМИНИЕВОГО СЫРЬЯ 126
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 132
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1
Введение к работе
Актуальность работы
Композиционные материалы (КМ) на основе алюминиевых сплавов значительно превосходят традиционные материалы по целому комплексу свойств. КМ имеют более высокие прочностные свойства при повышенных температурах, низкие значения коэффициента термического расширения (КТР), высокую износостойкость. Такие характеристики позволяют использовать КМ на алюминиевой основе в качестве жаропрочного материала для нагруженных деталей, теплоотводящих элементов, сохраняющих высокую размерную стабильность, износостойких подшипников скольжения.
Одним из наиболее перспективных методов получения КМ является метод механического легирования (МЛ). Этот метод позволяет получать дисперсноупрочненные (ДУ) КМ с равномерным распределением упрочнителя, чего трудно добиться другими способами. Главным сдерживающим фактором широкого распространения метода МЛ является его дороговизна, вызванная сложностью технологии и энергоемкостью процесса.
Снижение себестоимости механически легированных КМ, которые чаще всего изготавливаются на основе специально получаемых дисперсных порошков, возможно за счет удешевления исходного сырья. В качестве основы КМ можно использовать лом и отходы металлообрабатывающей промышленности, однако вопрос использования для МЛ крупных металлических частиц изучен недостаточно.
Использование в качестве шихтовой составляющей для механического легирования низкосортных окисленных и смешанных отходов авиационного и машиностроительного производства, например токарной или фрезерной стружки, позволит не только экономично вернуть в производство сырье, переработка которого традиционными способами сопряжена с большими потерями металла или вообще невозможна, но и обратить его недостатки — загрязненность примесями и оксидными образованьями в преимущество.
Цели и задачи работы
Исследовать возможность использования промышленных алюминиевых отходов, включая низкосортные и сложно утилизируемые, для создания ДУ КМ. Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
1. Исследовать последовательность формирования структуры МЛ КМ, получаемых на основе вторичного алюминиевого сырья, в том числе смешанного. 2. Разработать методику количественной оценки однородности микроструктуры механически легированных КМ.
3. Установить принципиальную возможность использования в качестве основы КМ отходов электролитического производства алюминия высокой чистоты, а также низкосортных смешанных отходов, загрязненных металлическими и неметаллическими примесями.
4. Предложить новые КМ для использования в качестве материала высоконагруженных высокооборотных износостойких втулок и разработать технологический процесс их получения.
Научная новизна
1. Показана возможность формирования структуры ДУ КМ с высокой степенью однородности (коэффициент вариации равномерности распределения фазовых составляющих на уровне 10 %) в случае использования неоднородного по химическому составу промышленного алюминиевого вторичного сырья в качестве исходной шихты при МЛ в планетарной и в вибрационной мельницах. В результате МЛ и последующей консолидации структура КМ состоит из алюминиевого твердого раствора с размером зерна 30-100 нм, фаз матричных сплавов и керамических частиц, диспергированных в процессе обработки порошковых смесей или синтезированных во время МЛ в воздушной атмосфере со средним размером менее 1 мкм.
2. Установлено, что увеличение времени МЛ и величины воздушного потока, пропускаемого через рабочее пространство вибрационной мельницы непрерывного действия, приводит к росту доли оксидных частиц, синтезируемых в материале. Показано, что повышение концентрации магния в исходных сплавах на основе системы Al-Mg приводит к образованию большей доли упрочняющих оксидных частиц за одинаковое время обработки за счет преимущественного окисления магния.
3. Показана принципиальная возможность диспергирования при МЛ крупных ( 1000 мкм) интерметаллидных фаз и формирования структуры с высокой степенью однородности в КМ на основе сплавов систем Al-Fe-Si и Al-Fe-Si-Cu. Такая возможность реализуется за счет хрупкости интерметаллических фаз и достаточной легированности алюминиевого твердого раствора.
4. Показана возможность использования смешанных, практически не поддающихся утилизации (отвальных) отходов, содержащих частицы a-Fe в виде механической примеси, для получения ДУ КМ с повышенной длительной твердостью (НВ]350 35-60), износостойкостью (величина износа 1,8-10 мм3/Н-м) и низким значением КТР (13,5-10" -14,5-10"6 К 1 в температурном интервале от 20 до 500 °С).
Практическая значимость
1. Предложена методика количественной оценки достижения однородности микроструктуры механически легированных КМ, в которой критерием однородности является коэффициент вариации равномерности распределения фазовых составляющих.
2. Разработаны технологические процессы изготовления КМ из смешанного, принципиально различающегося по составу вторичного алюминиевого сырья. Один включает в себя высокоэнергетическую обработку исходного сырья, состоящего из предварительно измельченной смеси стружки, например, сплавов Діб и АК12М2, с частицами карбида кремния в количестве 20 об.% в планетарной мельнице в инертной атмосфере не менее 2 ч. Альтернативный процесс заключается в обработке той же матричной смеси без дополнительного введения упрочняющих частиц в вибрационной шаровой мельнице в течение 15 ч в условиях постоянно сменяющейся воздушной атмосферы. Такая обработка обеспечивает синтез упрочняющих оксидных частиц в процессе МЛ, долю которых возможно регулировать изменением времени обработки и величины воздушного потока. Консолидацию МЛ гранул, полученных по обоим разработанным процессам, предложено проводить по двухстадийной схеме путем предварительного двухстороннего холодного прессования и последующего прессования при температуре 400 °С до достижения плотности не менее 96 % от теоретической. На технологические процессы получены свидетельства МИСиС о регистрации ноу-хау № 60-013-2004 от 13.04.2004 и № 61-013-2004 от 13.04.2004.
3. Для опробования и последующего внедрения в производство высоконагруженных высокооборотных втулок ответственных авиационных агрегатов предложен КМ из вторичного алюминиевого сырья на основе смеси матричных сплавов Діб и АК12М2, упрочненный оксидными частицами, синтезированными в процессе МЛ. КМ (Д16+АК12М2) - О после МЛ и консолидации при температуре 400 °С имеет следующие свойства: HV 245±10, ов сж= 545±50 МПа, износ 4,17-10 мм /Н-м. Разработан, согласован и передан ОАО «Ил» Технологический процесс получения КМ и изготовления высоконагруженных высокооборотных втулок из него. Разработаны и введены в действие Технические условия (ТУ-013-2006-004) на высоконагруженные высокооборотные втулки из МЛ дисперсноупрочненных КМ на базе вторичного алюминиевого сырья.
