Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ научно-технической и патентной литературы .10
1.1 Материалы на основе распыленного порошкового сплава Al-Si .10
1.2 Материалы Al-Si на основе смешанных многокомпонентных порошковых шихт 22
1.3 Порошковые материалы Al-Si на основе механически легированных шихт 25
1.4 Выводы, цели и задачи исследования 34
2 Методики проведения исследований .36
2.1 Технологии изготовления образцов 36
2.2 Методики обработки экспериментальных исследований .39
2.3 Методики определения физико-механических свойств ГДПМ .41
2.4 Методики термического, рентгеновского энергодисперсионного, рентгенофазового и микрорентгеноспектрального анализов. 42
3 Исследование закономерностей процессов механической активации шихт алюминий-кремний и алюминий-кремний-графит 43
3.1 МХА шихты алюминий-кремний .44
3.2 МХА шихты алюминий-кремний-графит 49
3.3 Двухэтапная технология МХА шихты алюминий-кремний-графит ..56
3.4 Выводы по главе 61
4 Изучение процессов уплотнения при ХП и ГШ заготовок, формирование структуры и свойств гдпм al-si и al-si-c на основе механохимически активированных шихт .63
4.1 Особенности уплотнения при ХП шихт алюминий-кремний и алюминий-кремний-графит, полученных механохимической активацией в сухих и жидких средах 63
4.1.1 Холодное прессование шихт алюминий-кремний, полученных механохимической активацией в сухих и жидких средах 65
4.1.2 Холодное прессование шихт алюминий-кремний-графит, полученных механохимической активацией в сухих и жидких средах 66
4.1.3 Обсуждение полученных результатов 69
4.2 Закономерности ГШ формовок на основе механохимически активированных шихт алюминий-кремний и алюминий-кремний-графит 70
4.2.1 Особенности уплотнения при ГШ формовок на основе шихт алюминий-кремний, полученных механохимической активацией в сухих и жидких средах 72
4.2.2 Особенности уплотнения при ГШ формовок на основе шихт алюминий-кремний-графит, полученных механохимической активацией в сухих и жидких средах .73
4.2.3 Закономерности уплотнения и деформации в процессе горячей
штамповки формовок на основе шихт алюминий-кремний-графит, полученных механохимической активацией в жидких средах 75
4.2.4 Обсуждение полученных результатов 78
4.3 Структура и свойства ГДПМ на основе шихт алюминий-кремний и алюминий-кремний-графит 79
4.4 Выводы по главе 86
5 Обсуждение результатов исследования и разработка опытной технологии получения порошкового материала гильзы цилиндра 90
5.1 Обсуждение полученных результатов 90
5.2 Разработка опытной технологии получения порошкового материала гильзы цилиндра ДВС Общие выводы 120
Список литературы
- Материалы Al-Si на основе смешанных многокомпонентных порошковых шихт
- Методики определения физико-механических свойств ГДПМ
- Двухэтапная технология МХА шихты алюминий-кремний-графит
- Холодное прессование шихт алюминий-кремний-графит, полученных механохимической активацией в сухих и жидких средах
Материалы Al-Si на основе смешанных многокомпонентных порошковых шихт
Поисковые решения получения порошкового композиционного материала для гильзы цилиндра ДВС, опубликованы в работе [18]. В первом варианте быстрозатвердевший порошок Al сплава (17,2 % мас. Si, 5.1 % мас. Fe, 3.3% мас. Cu, 1,1 % мас. Mg, 0,4 % мас. Mn) со средним размером (dср) частиц 251 мкм, смешивали с порошками Al2O3 (1-7% мас.; dср 2мкм) и графита (1% мас.; dср=5мкм) в лопастной мельнице. В процессе горячего прессования (400 МПа, 4500C) формировался пруток диаметром 80 мм. При введении порошка Al2O3 менее 5 %мас. с размером не более 30 мкм обеспечивалась наилучшая обрабатываемость и минимальный износ инструмента.
При исследовании влияния графита на предел прочности во втором варианте в шихту из порошкового Al сплава (16,5% мас. Si, 4,8% мас. Fe, 3,1%мас. Cu, 1,3% мас. Mg, 0,6% мас. Mn) со средним размером частиц 152мкм вводили порошок Al2O3 (3 % мас.) с размерами 3-10 мкм и порошок графита (0,5-5%мас.). Шихту смешивали в лопастной мельнице. Цилиндрическую формовку (d=165мм, h=300мм) прессовали давлением 200 МПа с последующей ее установкой в трубу (d=170мм, D=180 мм и h=300 мм) из Al сплава JIS 5052 и экструдировали по схеме горячего (450 0С) выдавливания в трубу (D=65 мм, d=50 мм). Наибольшая прочность наблюдалась при использовании порошков Al2O3 сферической формы и содержании графита менее 3% мас. с размером менее 10 мкм.
Исследования влияния Fe на твердость материала залитой гильзы расплавом блока в третьем варианте показали, что введение Fe менее 4% мас., приводит к снижению твердости после нагрева расплавом блока цилиндров (рисунок 1.15). Образцы с содержанием Fe выше 6% мас, обладают низким пределом прочности при радиальном сжатии. Поэтому предпочтительное содержание Fe в сплаве составляет 4-6% мас.
В четвертом варианте варьировали размером частиц порошка (dср=44-354 мкм) сплава Al (17,2% мас. Si, 5,1% мас. Fe, 3,3% мас. Cu, 1,1% мас. Mg, 0,4% мас. Mn) и его твердостью, путем отжига (300 0С; t7,2 кс). Шихту приготавливали смешиванием с добавлением порошков Al2O3 (dср=3мкм) и графита (dср5 мкм). Полученную смесь прессовали с различным давлением (100-400 МПа) для изучения процессов уплотнения порошкового материала.
Испытание формовки диаметром 60 мм и высотой 100 мм производили сбрасыванием с высоты 20 см. Лучшая уплотняемость достигается в том случае, когда используются порошок с низкой твердостью и большим размером частиц, а формовка прессуется при повышенном давлении.
Порошковые материалы Al-Si на основе механически легированных шихт
Механическое легирование заключается в интенсивном смешивании порошков основы и упрочняющей фазы в специальных энергонапряженных мельницах [2]. В процесс механического легирования происходит расплющивание и размол отдельных частиц, чередующиеся разрушение и перестройка структуры частиц, разрушение «склепанных» частиц и исчезновение частиц исходных порошков, нарушение параллельности в расположении слоев в структуре компози ционных частиц, повышение внутренней однородности. Механическое легирование перспективно для получения дисперсноупрочненных материалов, компоненты которых обладают малой взаимной растворимостью или резко различаются температурами плавления.
Для получения ГДПМ системы Al-Si (таблица 1.6) проводили механическое легирование в смеси азота с 2-8% кислорода в течение 0,9-7,2 кс распыленного порошка матричного сплава на основе А1 углеродом 0,5-2% мас. и кремнием, с доведением его содержания в материале до 35-46 % мас. [19]. Порошковую композицию, полученную механическим
Свойства заготовок (таблица 1.7) свидетельствуют о том, что предлагаемый материал на 20% снижает коэффициент линейного расширения, который практически становится равным коэффициенту линейного расширения стали и обеспечивает стабильность прецизионных характеристик упругости. Таким образом, удалось достигнуть повышения стабильности прецизионных характеристик упругости за счет получения однородной дисперсной структуры, что обеспечило эксплуатационную надежность высокоточных приборов систем управления и навигации при работе предлагаемого материала в контакте со сталью в течение длительного срока эксплуатации.
В работе [20] проводили исследование формирования метастабильных фаз (рисунок 1.16), формирующихся при механическом легировании шихты Al-Si.
Шихту на основе Al, состоящую из порошков высокой чистоты (99,99%) и содержащую кремний 13,5 % ат., дегазировали в вакууме в течение 1,8 кс. Дегазированная шихта подвергалась обработке в планетарной мельнице в атмосфере аргона при частоте вращения диска 150 мин-1, кюветы 320 мин-1 и с соотношением мелющих шаров к шихте 10:1. Механическое легирование порошка Al порошком Si (12,5 %мас.) не привело к образованию метастабильной кристаллической фазы. Анализ рентгенограммы (рисунок 1.16) шихты, измельченной с последовательным увеличением времени показал наличие дифракционных пиков Al и Si. С увеличением времени измельчения, пики уширялись, относительные интенсивности пиков Si уменьшались по сравнению с пиками Al.
Дифференциальный сканирующий калориметрический анализ шихты, измельченной в течение 360 кс, выявил экзотермический пик. Рентгеновские ди-фрактограммы (рисунок 1.17) образцов, нагретых до различных температур, включали пики Al и Si, обостряющиеся после экзотермического пика.
Методики определения физико-механических свойств ГДПМ
Порошковые материалы на основе алюминия, упрочненные равномерно распределенными дисперсными частицами кремния, применяются в двигателестроении, авиастроении, космической технике, приборостроении и т.д. Введение Si способствует повышению прочности и износостойкости материала. Оптимальное содержание кремния для материала гильзы цилиндра ДВС составляет 18 % мас., обеспечивающее повышенные эксплуатационные характеристики и возможность механической обработки.
Уменьшение размеров и сферическая форма частиц кремния приводят к повышению прочности и износостойкости материала. Исследования влияния введения графита на порошковый материал Al-Si показали, что наибольшая прочность достигается при содержании графита менее 3 %мас. с размером менее 10 мкм. Одним из способов измельчения частиц кремния и равномерного их распределения является предвари 35 тельная обработка смеси порошков в высокоэнергетической мельнице в инертных и жидких, предотвращающих эффект налипания, средах. Обработка в высокоэнергетической мельнице обеспечивает формирование интерметаллидных соединений и карбидов. Горячей обработка давлением порошковых формовок на основе шихт Al-Si достигается дополнительное измельчение структуры, повышающее механические свойства материала. Необходимость применения защитных сред, препятствующих окислению порошкового материала при его консолидации, усложняет изученные технологии. В результате аналитического обзора научно-технической литературы сформулирована цель и задачи исследования.
В качестве исходных материалов для приготовления шихты алюминий-кремний (18 % мас.) использовали порошки алюминия ПА-4 (ГОСТ 11069-74) и кремния фракции менее 63 мкм, полученного путем размола технического кремния КР00 (ГОСТ 2169-69) в ВЭМ. Механохимическая активация шихт, являющаяся перспективной технологией для получения порошковых материалов с дисперсной структурой [23-29], проводилась в шаровой планетарной мельнице САНД-1 при частоте вращения ротора 290 мин-1, соотношении масс шаров (диаметр шаров 10 мм) и шихты 10:1. В работе [30], проведенной в ЮРГПУ (НПИ), показана эффективность использования жидких сред спирта в процессе механохимической активации. Применение НВРБК в качестве размольной среды обеспечивает снижение интенсивности окисления порошковых шихт Д16-ферротитан в воздушной среде [24], за счет легирования оксидами бора B2O3, и формирование агломератов с дисперсной структурой, наследуемой горячедеформированным порошковым материалом. Двухэтапная технология МХА, включающая совместную обработку предварительно активированной алюминиевой стружки Д16 с графитом, имеет преимущество перед одноэтапной технологией совместной МХА стружки Д16 и графита в виде повышенных физических и механических свойств ГДПМ [31-33]. На основе результатов проведенных работ одноэтапную МХА в течение 5,4 кс шихты алюминий-кремний осуществляли в сухой (Т4) и жидких средах (таблица 2.1) спирта (Т2) и насыщенного водного раствора борной кислоты (H3BO3 5,5 % мас., H2O 14,5 % мас. - Т1). Для получения механохимически активированной шихты алюминий-кремний-графит использовали одноэтапную механическую обработку в сухой (Т3) и жидких средах спирта (Т6), НВРБК (Т5), спиртового раствора борной кислоты (Т7). Двухэтапную МХА (Т8) проводили предварительной обработкой шихты алюминий-кремний в течение 3,6 кс в среде НВРБК с последующим введением в шихту графита и их совместную обработку в течение 1,8 кс.
Предварительные исследования [34-36] влияния процессов холодного прессования на физические и механические свойства ГДПМ системы Al-Si на основе стружки сплава АЛ-30 со средним размером частиц 670 мкм позволили выявить оптимальное значение давления холодного прессования. Технология получения ГДПМ на основе стружки сплава АЛ-30 включала холодное прессование в стальной матрице на гидравлическом прессе давлением 63 - 564 МПа, нагрев формовок в воздушной атмосфере в течение 0,3 кс при 570 0С и горячую штамповку с элементами экструзии на копре с массой падающих частей 50 кг и приведенной работой горячей штамповки (wгш) 170 МДж/м3.
Анализ результатов исследования (таблица 2.2) показал, что при увеличении давления холодного прессования с 63 до 313 МПа наблюдается рост радиальной деформации d, связанный с заполнением технологического зазора между стенкой матрицы и боковой поверхностью образца. Уменьшение pхп приводит к повышению пористости формовки, уменьшению d и увеличению абсолютных значений высотной деформации h при фиксированных значениях wгш. Зависимости HRE, ср(рхп) и по(рхп) носят экстремальный характер, при этом максимальные значения твердости (92 HRE), относительной плотности горячедеформированного пресс-остатка (по=0,957), предела прочности на срез (ср=161МПа) обеспечиваются при pхп равном 313 МПа. Увеличение pхп от 63 до 313 МПа приводит к увеличению твердости, предела прочности на срез горядеформированного материала, от 440 до 564 механические свойства снижаются.
Двухэтапная технология МХА шихты алюминий-кремний-графит
Проведенные в ЮРГПУ(НПИ) исследования технологий получения порошковых материалов на основе механохимически активированных шихт показали, что влияние процессов, протекающих в течение обработки шихты, наследуются при холодном прессовании, горячей штамповке, спекании, инфильтрации и имеют определяющее влияние на структуру и свойства материала [30, 54, 55].
С целью оптимизации состава размольной среды и технологии механохи-мической активации, обеспечивающей получение ГДПМ на основе механохими-чески активированных шихт алюминий-кремний и алюминий-кремний-графит с повышенным комплексом механических свойств, изучены особенности формования порошковых заготовок в процессе холодного прессования, закономерности уплотнения при горячей штамповке, формирования структуры и свойств ГДПМ.
Особенности уплотнения при ХП шихт алюминий-кремний и алюминий-кремний-графит, полученных механохимической активацией в сухих и жидких средах
Особенность формования шихт на основе алюминиевой крупки, стружково-го порошка алюминиевого сплава, прошедших механохимическую активацию в среде НВРБК, заключается в повышении относительной плотности формовки при использовании шихты, состоящей из первичных агломератов [56, 57]. Вторичные агломераты, формирующиеся в процессе длительной механической обработки в ВЭМ и состоящие из мелких частиц, снижают плотность формовки [58-60]. При формовании шихты на основе стружки алюминиевого сплава Д16, состоящей из крупных агломератов, сформированных в процессе МХА в среде НВРБК (мха=10,8 кс) снижение среднего размера агломератов способствует уменьшению плотности формовки. Увеличение содержания НВРБК приводит к повышению относительной плотности за счет снижения интенсивности измельчения и уменьшения потерь на трение. Механохимическая активация стружки алюминиевого сплава Д16 совместно с графитом в среде НВРБК при мха7,2 кс и повышении содержания графита способствует увеличению относительной плотности заготовки, а при мха 7,2 кс значение относительной плотности понижается, за счет неравномерного распределения твердой смазки. Повышение мха14,4 кс обеспечивает снижение плотности материала благодаря уменьшению среднего размера частиц. В работе [61] показано, что использование шихты на основе алюминия, полученной МХА стружки алюминиевого сплава Д16 с последовательным введением графита, обеспечивает повышение относительной плотности формовок.
При изучении влияния давления холодного прессования, твердости материала и размеров частиц шихты Al-Si-графит проводили методом сбрасывания оценку прочности формовок [3]. Было установлено, что повышение давления холодного прессования и размера частиц из материала с пониженной твердостью приводит к повышению формуемости.
В работе исследовано влияние состава размольной среды на значения относительной плотности хп (2.8), коэффициента прессования по абсолютному значению Kпр (2.9), высотной деформации по абсолютному значению hхп (2.10), представленные в таблице 4.1. На первом этапе проводили изучение холодного прессования шихт алюминий-кремний, полученных совместной механической обработкой ПА-4 и порошка кремния в ВЭМ в сухой среде (Т4) и жидких средах насыщенного водного раствора борной кислоты (Т1) и спирта (Т2). С целью оценки влияния графита исследовали особенности холодного прессования шихт алюминий-кремний-графит, полученных совместной механической обработкой ПА-4, порошка кремния и ГК-3 в ВЭМ в сухой среде (Т3) и жидких средах насыщенного водного раствора борной кислоты (Т5), спирта (Т6) и СРБК (Т7). На третьем этапе изучили влияние последовательности введения графита на особенности холодного прессования шихты, полученной механической обработкой меха-нохимически активированной шихтой алюминий-кремний и ГК-3 в жидкой среде насыщенного водного раствора борной кислоты (Т8).
При переходе к шихте алюминий-кремний, обработанной в жидкой среде спирта (Т2), достигается повышение значения относительной плотности до 0,834 и высотной деформации по абсолютному значению до 0,772 и снижение коэффициента прессования по абсолютному значению до 406 МПа, по сравнению с шихтой алюминий-кремний, обработанной в сухой среде. Процесс формования шихты алюминий-кремний, обработанной в жидкой среде НВРБК (Т1), характеризуется пониженными значениями хп и hхп и повышенным сопротивлением пластической деформации по сравнению с формованием шихты алюминий-кремний, обработанной в жидкой среде спирта (Т2).
Совместный анализ результатов исследований процессов размола и холодного прессования выявил влияние параметров размола (d0 КАГ0 ПАГ 0 1 0 1) на особенности холодного прессования шихт алюминий-кремний (Т1, Т2, Т4). В процессе холодного прессования шихты алюминий-кремний на основе агломератов с минимальным размером, сформированных в процессе механохимической активации (d0=73 мкм, КАГ0=1,32) в жидкой среде спирта, наблюдается максимальная относительная плотность (хп=0,834) при минимальном сопротивлении пластической деформации (Kпр=406 МПа) и максимальной высотной деформации по абсолютному значению (hхп=0,772). При этом шихта алюминий-кремний характеризуется максимальной активностью (ПАГ=0,86) при последующей ручной обработке, а также минимальном (0=0,001) и максимальном (0=1,5763 ) значениях коэффициентов уравнения Розина-Раммлера, описывающего распределения агломерированных частиц шихты по размерам.
Холодное прессование шихт алюминий-кремний-графит, полученных механохимической активацией в сухих и жидких средах
Результаты исследований особенностей процессов диспергирования-агломерации (глава 3) порошковых шихт алюминий-кремний при обработке в ВЭМ в сухой среде (Т4) показали, что наблюдается налипание части порошковой шихты на шары (рисунок 3.1а) и агломерация основной массы частиц шихты в крупный (30-50 мм) моноагломерат, связанные с наслаиванием размягченного B2O3 на частицы, схватыванием между частицами Al, шаржированием мягких частиц Al твердыми частицами Si, плакированием твердых частиц Si мягкими частицами Al и протеканием топохимических реакций [39]. Формирование моноагломерата при механохимической активации затрудняет процессы формования при холодном прессовании и горячей штамповке требует дополнительного его дробления. Полученный результат соответствует ранее проведенным исследованиям механического легирования в сухой среде шихты алюминий-кремний [21].
После дробления части порошковой шихты, налипшей на шары, и крупного моноагломерата механохимически активированная шихта алюминий-кремний в сухой среде (Т4) характеризуется бимодальным распределением агломерированных частиц по фракциям (рисунок 3.2). Преобладающими являются крупная фракция ( 630 мкм) и мелкая фракции ( 63 мкм). Формирование агломератов фракции более 400 мкм, происходило за счет уменьшения содержания фракций менее 100 мкм (рисунок 3.3). Средний размер агломерированных (КАГ0=7,7) частиц шихты алюминий-кремний, обработанной в сухой среде, составляет 424 мкм (рисунок 3.4).
В процессе ручной обработки механохимически активированной в сухой среде (Т4) шихты алюминий-кремний сохраняется бимодальное распределение агломерированных частиц с преобладанием крупных фракций более 630 мкм и мелких фракций менее 63 мкм (рисунок 3.2). Увеличение содержания фракций более 400 мкм в процессе ручной обработки за счет более мелких фракций (рисунок 3.5) приводит к повышению среднего размера агломератов (КАГ1=7,85) шихты алюминий-кремний до 432 мкм при этом показатель агломерации ПАГ равен 0,98 (рисунок 3.4).
В процессе прессования пористых (П=18,9 %) порошковых формовок (рисунок 4.1, таблица 4.1) давлением 310 МПа на основе шихты алюминий-кремний, обработанной в сухой среде (Т4), наблюдается максимальное сопротивление пластической деформации (Kпр=Kпрmax=1059 МПа) при высотной деформации по абсолютному значению hхп, равной 0,311. В результате проведенного исследования (таблица 4.1) установлено, что в процессе ГШ (wгш=70 МДж/м3) шихты алюминий-кремний, обработанной в сухой среде, достигается минимальное значение относительной плотности (гш=0,923) при минимальной высотной деформации по абсолютному значению (h=0,236). ГДПМ системы Al-Si на основе шихты алюминий-кремний, обработанной в сухой среде (Т4), обладает минимальными значениями предела прочности на срез (ср=54 МПа) и твердости (78 HV).
Проведение механохимической активации в сухой среде шихты алюминий-кремний обеспечивает формирование агломерированных частиц с максимальным средним размером, характеризующихся бимодальным распределением. Использование полученной шихты в процессе холодного прессования приводит к максимальному сопротивлению пластической деформации, обеспечивающему минимальное абсолютное значение высотной деформации. При этом в процессе горячей штамповки формируется материал с минимальными значениями относительной плотности и механических свойств.
Переход от механической обработки шихты алюминий-кремний в сухой среде к обработке в жидких средах насыщенного водного раствора борной кислоты НВРБК (рисунок 3.1б) и спирта (рисунок 3.1в) устраняет налипание шихты на шары и приводит к повышению дисперсности агломератов (рисунок 3.2 а), полученных в процессе МХА шихт алюминий-кремний. Смещение динамического равновесия в сторону разрушения исходных частиц алюминия, кремния, графита и агломератов на их основе обусловлено следующими причинами: эффект адсорбционного понижения прочности, заключающийся в снижении прочности по 92
верхностных слоев разрушаемых частиц, на которых адсорбируется жидкость, эффект "расклинивания", препятствующий самозаживлению распространяющейся трещины, снижение коэффициента трения между размольными телами, что интенсифицирует их перемещение относительно друг друга и тем самым усиливает воздействие на размалываемый материал, образование двойных заряженных слоев на частицах размалываемого материала при абсорбировании жидкости, приводящее к отталкиванию частиц друг от друга, препятствуя их агломерации, устранение пыления жидкости, вовлекающее в процесс измельчения весь материал [37].
В результате обработки шихты алюминий-кремний в жидкой среде НВРБК (Т1) достигается одномодальное распределение частиц по размерам, описываемое уравнением Розина-Раммлера при коэффициенте корреляции г, равном 0,993 F(x) = 0,034 0,79 j0 79"1 ехр(-0,034 х0 79). (5.1)
Анализ распределения частиц (рисунок 3.2) механохимически активированной в НВРБК шихты алюминий-кремний по фракциям выявил преобладание мелкой фракции ( 63 мкм). Формирование агломератов, преимущественно фракции 100-200 мкм, происходило за счет уменьшения содержания фракций менее 100 мкм (рисунок 3.3). Средний размер агломератов шихты алюминий-кремний, обработанной в жидкой среде НВРБК составляет 90 мкм при коэффициенте агломерации (КАГо) 1,29 (рисунок 3.4).
Ручной обработкой механохимически активированной в жидкой среде (Т1) шихты алюминий-кремний приводит к незначительному диспергированию агломератов (ПАГ=1,26) при сохранении одномодального распределения по размерам, описываемое уравнением Розина-Раммлера при коэффициенте корреляции г, равном 0,987
