Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Дискретно армированные изотропные композиты - перспективные материалы для изделий триботехнического назначения 17
1.1. Преимущества КМ перед традиционными материалами 25
1.2. Области применения дисперсно упрочненных КМ на основе алюминиевых сплавов 27
1.3. Методы регулирования механических и эксплуатационных свойств КМ 36
1.4. Постановка цели и задач работы 41
Глава 2. Материалы, оборудование, методы исследования
2.1. Материалы для исследования 44
2.2. Методы исследования структуры, механических и технологических свойств материалов 52
2.3. Проведение испытаний на трение и износ 61
2.4. Специальные испытания
Глава 3. Влияние армирования на структуру, механические и технологические свойства КМ
3.1. Литейные свойства 74
3.2. Деформационная способность 82
3.3. Механическая обработка 98
3.4. Способы соединения 106
3.5. Выводы по главе 116
Глава 4. Триботехнические характеристики дисперсно наполненных КМ 119
4.1. Требования, предъявляемые к металлическим трибоматериалам 120
4.2. Исследование изменений, происходящих в поверхностных слоях КМ в условиях трения-скольжения 124
4.3. Анализ поведения КМ системы «алюминиевые сплавы - дисперсные частицы» в условиях трения-скольжения 137
4.4. Совместимость КМ со сталями в трибосопряжениях 149
4.5. Выводы по главе 154
Глава 5. Усовершенствование технологии изготовления дисперсно армированных алюмоматричных КМ для условий промышленного производства
5.1. Изготовление объемных литых изотропных КМ 156
5.2. Изготовление градиентных КМ 163
5.3. Выводы по главе 175
Глава 6. Замена традиционных материалов рабочих частей изделий на композиционные материалы
6.1. Результаты опробования в реальных трибоузлах деталей из литых КМ
6.1.1. Рабочая пара «Компрессора автомобильного КПА-1» 177
6.1.2. Втулка подшипника двигателя станка ТПК-125ВН1 - 191
6.1.3. Клапан управления механизмом регулирования фаз системы газораспределения автомобиля (КУМРФ) 194
6.1.4. Кольцо синхронизатора коробки передач автомобиля 197
6.1.5. Втулка рейки рулевого управления 201
6.1.6. Втулка дисковых ножниц 203
6.1.7. Поршень устройства амортизатора задней подвески 204
6.1.8. Силовая пломба тросового типа 206
6.2. Изготовление деталей из биметаллической ленты с антифрикционным композиционным слоем 208
6.3. Трибоузлы в которых, планируется замена материала рабочих деталей на КМ 210
6.4. Оценка экономической эффективности замены традиционных материалов триботехнического назначения на КМ 212
6.5. Выводы по главе 214
Основные результаты и выводы 210
Литература 223
Приложения 243
- Области применения дисперсно упрочненных КМ на основе алюминиевых сплавов
- Методы исследования структуры, механических и технологических свойств материалов
- Исследование изменений, происходящих в поверхностных слоях КМ в условиях трения-скольжения
- Изготовление деталей из биметаллической ленты с антифрикционным композиционным слоем
Введение к работе
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:
-
Анализ структуры, механических и технологических свойств дисперсно-упрочненных КМ на основе алюминиевых сплавов с целью изготовления деталей триботехнического назначения.
-
Оценка влияния условий трибологического нагружения (усилий, скорости скольжения, наличия смазки и др.) на трение и износ КМ.
-
Разработка высокоэффективных технологических процессов для изготовления композиций заданного кода армирования с требуемыми свойствами, в том числе биметаллических композиций КМ/сталь.
-
Исследование возможностей получения наноструктурированных КМ при интенсивной пластической деформации или при комбинировании различных методов изготовления и обработки КМ.
-
Опробование КМ «алюминиевые сплавы – дисперсные армирующие частицы» в трибосопряжениях лабораторных установок, при проведении стендовых испытаний и в реальных узлах механизмов и машин.
-
Уточнение номенклатуры изделий триботехнического назначения, где целесообразна замена традиционных материалов на КМ.
-
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.
Области применения дисперсно упрочненных КМ на основе алюминиевых сплавов
Невысокая стоимость и доступность дисперсно упрочненных КМ на основе алюминиевых сплавов, а так же возможность применения традиционных технологий и стандартного оборудования для формирования заданного состава, могут ускорить процесс внедрения таких материалов в машиностроении [32 - 34]. Дисперсно упрочненные КМ - это системы, в которых высокодисперсный упрочнитель равномерно или с заданным градиентом распределен в матричном материале. В таких КМ матрица воспринимает и передает внешнюю нагрузку, а упрочнитель, активно влияя на формирование дислокационной структуры в процессе получения сплава, стабилизирует ее в процессе эксплуатации. В литературе с примерами применения КМ в условиях трения (работы Ф.М. Хостинга, С. Лина, И.М. Федорченко, П.З. Горбунова, В.В. Галя и др.) сообщается о разных опробованных вариантах сочетаний материалов трибопарах и составах КМ для трибосопряжений, но оптимальные, обеспечивающие наиболее высокий уровень механических и эксплуатационных свойств, определяются, как правило, эмпирическим путем. В условиях трения скольжения предпочтение отдается литым металломатричным композиционным материалам на основе алюминиевых сплавов, армированных частицами керамики.
Потребность в легких и прочных материалах в современных условиях эксплуатации механизмов и машин достаточно велика. Наиболее привлекательным остается алюминий и сплавы на его основе по причине их доступности, технологичности и предсказуемости свойств. Упрочнение алюминиевых сплавов дисперсными высокомодульными частицами керамики позволяет получить комплекс новых весьма ценных свойств [30]. Высокая термическая стабильность алюминиевой матрицы при добавлении твердых частиц керамики определяют перспективность использования КМ на основе алюминия в триботехнических целях [14]. Сочетание разнородных фаз обеспечивает высокую несущую способность материалов трибосопряжений, высокую износостойкость и задиростойкость и стойкость против абразивного изнашивания [31]. КМ на основе алюминиевых сплавов считаются перспективными заменителями сплавов меди и олова в связи с экономией дорогостоящих элементов, снижением веса, и относительной дешевизной [19].
Термическая и термомеханическая обработки КМ могут приводить к изменению таких физико-химических процессов на контактных поверхностях, как пластическое деформирование, тепловые эффекты, химические реакции, в том числе циклические реакции «окисление-восстановление»; разрушение межфазных связей частица/матрица, дробление и перераспределение частиц, механическое легирование поверхностных слоев. 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 стационарного трения, рост критических контактных нагрузок и температур, при которых происходит смена режимов изнашивания от мягкого к интенсивному и схватывание.
В настоящее время разработка КМ с алюминиевыми матрицами для трибосопряжений не вышла еще из стадии накопления эмпирических данных. Отчасти это вызвано отсутствием достоверных моделей поведения в трибоконтакте не только КМ, но и традиционных антифрикционных материалов. Однако даже небольшой опыт промышленных испытаний новых антифрикционных КМ в трибосопряжениях различных видов техники свидетельствует об их высокой эксплуатационной надежности [25, 35 - 38].
Примером может служить весьма перспективное применение в трибо-сопряжениях транспортных средств композиционных материалов (КМ) на базе алюминиевых сплавов, армированных дискретными наполнителями — нитевидными кристаллами или частицами [25, 26, 39].
Изготовленные из КМ на основе сплава 6090 с частицами SiC поперечная балка самолета, рамка электронного прибора, детали для мотоцикла показывают снижение массы деталей примерно на 20 % [37]. Наличие в КМ дисперсных частиц оказывает значительное модифицирующее действие на алюминиевые сплавы, измельчая включения Si и эвтектику, за счет чего износостойкость КМ возрастает в среднем в 2-3 раза, а коэффициент трения снижается с 0,15 до 0,05- 0,08 [38]. В связи с этим подобные КМ рекомендуются для изготовления износостойких деталей или для нанесения износостойких покрытий, в частности для подшипников скольжения [40].
В работе [41] обсуждена износостойкость композита 6061 А1+15%А120з при трении по стали по схеме диск-палец. Скорость скольжения равна 0,15м/с, максимальный путь трения 4320 м. Рассмотрен вариант сухого трения при нагрузке 12 Н и трения со смазкой при 100 Н. В статье также утверждается, что износ материала зависит от режимов термообработки.
Отмечено, что износостойкость композита значительно выше, чем неупрочненного матричного сплава 6061А1, особенно при трении со смазкой (табл. 1.1).
Рассмотрены изменения коэффициента трения и контактных напряжений при разных условиях трения. Установлено, что, во-первых, коэффициент трения уменьшается и контактные напряжения увеличиваются, когда испытания проводят в условиях смазки; во-вторых, значения коэффициента трения КМ по стали существенно ниже, чем матричного сплава (табл. 1.2).
В работе [39] рассматривали вариант сухого трения сплава 6061А1 и КМ на его основе с 20% АЬОз по подшипниковой стали. Испытания проводили в температурном интервале от 25 до 500С с постоянной скоростью скольжения 0,2 м/с. Нагрузку изменяли от 10 до 50 Н.
Значения коэффициента трения КМ при мягком износе колеблются около 0,5± 0,1 в интервале температур 25-230С, а для матричного сплава изменяются от 0,5 ± 0,1 при 25 С до 0,35 ± 0,1 при 150 С , в то время как при сильном износе, характеризующемся грубой пластической деформацией поверхности, коэффициент трения возрастает до 2,0 ± 0,5 при 400С для КМ и при 350С для матричного сплава. Температура перехода КМ от мягкого к сильному износу зависит от приложенной нагрузки и составляет при нагрузках 50, 150 и 350Н соответственно 200, 150 и 250, т.е. с увеличением приложенной нагрузки температура перехода снижается. Отмечено, что интенсивность износа КМ 6061 А1-20% А1203 равна примерно 4 х 10"3мм3/м при комнатной температуре, и при ее повышении до 230С.
Были исследованы и усталостные свойства композитов на основе алюминиевого сплава 2124, армированного частицами SiC [42]. Увеличение предела прочности, предела текучести с увеличением содержанием частиц SiC сопровождается снижением пластичности и повышением деформационного упрочнения, а так же снижением способности выдерживать циклические пластические деформации. Выводом работы является заключение о том что, материалы на основе алюминиевой матрицы, упрочненной частицами керамики, представляют собой интерес для использования их в триботехнических целях [42]. При разработке композиций необходимо учитывать сложное и разнообразное взаимодействие обоих фаз: металлической матрицы и армирующих частиц. Разработка количественной теории упрочнения представляет чрезвычайно сложную задачу [43].
Не менее сложной задачей является установление зависимости износа композитов от соотношения твердой и мягкой составляющей и их дисперсности. Так, в работе [-45] оценивали износостойкость образцов, изготовленных жидкой штамповкой с объемной долей частиц SiC 5% средним размером 28 и 3 мкм в матрице В124 (в масс.% 3-4 Си, 8-11 Si, 0,15-0,35 Mg, 0,1-0,3 Mn, 0,01-0,3 Ті, 0,01-0,1 В, не более 0,3 Fe, А1-основа). Испытания на износ проведены на машине трения СМЦ-2 по схеме: призма из чугуна марки 10-40 - ролик из КМ.
Методы исследования структуры, механических и технологических свойств материалов
Исследование структуры КМ осуществляли на световых микроскопах Номарски, Лейка DM ILM, Неофот, МИМ-10, электронном сканирующем микроскопе LEO 43 0i. 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. Микроструктурный анализ литых КМ выявляет гетерофазную структуру КМ, состоящую из матричного сплава с характерной для слитков ячеистой или ячеистодендритной химической неоднородностью и армирующих частиц.
При рассмотрении структурных составляющих, был произведен расчет величины зерна согласно ГОСТ 5639 - 82 (Рис. 2.2). Метод состоит в подсчете количества зерен, пересеченных отрезком прямой и определении среднего условного диаметра по формуле: di = L / N, где L - суммарная длина отрезков, выраженная в мм натуральной величины на шлифе; N -общее число зерен, пересеченных отрезком длиной L. Показателем однородности распределения частиц в матрице является процентно выраженное отношение клеток, занятых и не занятых частицами. Для такой же оценки применяли и точечный метод Глаголева А.Л., осуществляемый непосредственно с изображения в микроскопе: шлиф равномерно перемещали в поле зрения и подсчитывали число точек определяемых фаз, попавших на перекрестие. Количественное содержание частиц в исследуемом КМ сплаве определяли по формуле: где С - содержание частиц в матрице (%), А - количество точек попавших в частицы, В - общее число точек. При рассмотрении структур были использованы и методы растровой электронной микроскопии (Рис. 2.3). Характер распределения легирующих элементов между фазами и уровень химической неоднородности определяли методом рентгеноспектрального анализа (МРСА) на рентгеновском микроанализаторе «Сатеса».
Изучение структурных параметров на рентгеновском дифрактометре ДРОН-ЗМ, сопряженном с машиной IBM PS 386, в CuKa - излучении с прографитовым монохроматором на выходном пучке (для снижения фона от флуоресцентного излучения с целью повышения контрастности рентгеновских линий) позволяет получить сведения, являющиеся усредненными для площади поверхности в несколько мм2 (диапазон измерения от 0,1 до 100 мкм). По рентгенограммам определяют структурные составляющие по наличию аналогичных интерференционных линий. Интенсивность последних и является показателем количества данной фазы. По смещению интерференционных линий на рентгенограмме определяют остаточные напряжения. Напряжения первого рода, или макронапряжения, уравновешиваются в объемах, соответствующих размерам изделия. Эти напряжения возникают вследствие неоднородности силового(пластическая деформация), температурного или материального (неравномерность концентрации) поля внутри тела. Задача анализа макронапряжений сводится к точному определению межплоскостных расстояний, что выполняется посредствам компьютерной обработки данных. Влияние остаточных напряжений на эксплуатационные свойства детали зависит от знака макронапряжений. Положительные напряжения, складываясь с внешними, могут вызвать разрушение, отрицательные (сжимающие) - затрудняют образование трещин и значительно увеличивают усталостную, прочность [108]. В ряде работ [109, ПО] с помощью рентгенографических методов по изменению периода кристаллической решетки (а), физического уширения рентгеновских линий ((З) и фазового состава анализировали особенности деформации и фазовых превращений в зоне трения. Результаты исследований [111] дают основания рассматривать эти параметры в качестве критериев износостойкости. В совокупности они составляют разностороннюю, и обоснованную систему критериев качества работы узла трения [112]. Напряжения определяли методом наклонных съемок или «методом синусов» по линии отражения (222) а - Fe. Значение параметров решетки вычисляли при медленном сканировании высокоугольных пиков на дифрактограммах. Точность измерения параметров решетки 0,0005 А. Механические, химические, технологические и эксплуатационные свойства оцениваются по стандартным методикам с использованием специальных подходов, характерных для гетерофазных материалов. Прочность определяется из испытаний на разрыв по ГОСТ 1497 на пропорциональных плоских образцах. В ходе испытания определяли относительное удлинение материала и временное сопротивление разрыву. Испытания проводили на разрывной машине Р-1, соответствующей требованиям ГОСТ 7855 - 68 и 1497 -61.
Разрывная машина фиксирует нагрузку, при которой происходит разрыв образца. Деформация выражается через относительное удлинение. Для литейных алюминиевых сплавов механические свойства определяются на отдельно отлитых образцах или образцах,выточенных из прилитых к отливке заготовок. Для всех видов литья допускается проводить проверку свойств на образцах, отлитых в песчаные формы. Упрочнение КМ, армированных частицами, начинается тогда, когда наличие частиц приводит к появлению механических ограничений деформации матрицы [113]. Однако в работе [114] отмечено, что КМ с высокой объемной долей частиц обладают большей хрупкостью и пониженными свойствами при растяжении (временное сопротивление ав и относительное удлинение 8, снижаются с увеличением объемного содержания частиц в матрице). Такое изменение свойств объясняется в первую очередь ослаблением связи по поверхностям раздела частицы -матрица. В общем случае прочность при растяжении и пластичность КМ ниже, чем у матричных сплавов, что обусловлено преимущественным зарождением трещин на поверхностях раздела или в участках скопления наполнителей. Для хрупких материалов, коими являются КМ, чаще оценивают характеристики материала при сжатии. Испытание на осадку проведено согласно ГОСТ 8817-57 с определением способности КМ к деформации и с выявлением дефектов поверхности. Образцы для испытаний на сжатие вырезали по ГОСТ 2055 -43 диаметром 16 и длиной 16 мм. Осадку проводили под прессом на установке УМ - 10. По результатам испытания оценивали допустимую деформацию. Источником деформационного повреждения образцов КМ считали локальное нарушение связи по границам частица - матрица.
Исследование изменений, происходящих в поверхностных слоях КМ в условиях трения-скольжения
Известно, что трибологические свойства материалов (коэффициент трения, интенсивность изнашивания,...) в значительной степени зависят от структурного состояния, формирующегося на контактной поверхности в процессе трения [189]. Локализованная вблизи поверхности трения интенсивная пластическая деформация, и фрикционный нагрев обуславливают образование в зоне фрикционного контакта активного слоя структур. Тонкий слой (порядка 10 мкм), примыкающий непосредственно к поверхности трения имеет ультрадисперсное нанокристаллическое строение. Образуясь в начальный период трения и сохраняя устойчивость, такой слой определяет трибологическое поведение материала. Появление промежуточных структур характеризует смену основных механизмов пластической деформации от скольжения и двойникования к ротационному, посредством относительных разворотов фрагментов структуры. В условиях трения скольжения величина пластической деформации ограничена процессами разрушения, происходящими на контактных.
В КМ в слое, прилегающем непосредственно к поверхности трения, в результате контактного взаимодействия происходит преобразование ячеистых структур в дисперсную механическую смесь из материала матричных сплавов, армирующих фаз, материала контртела и их оксидов. Такой граничный слой может быть определен как защитный, в присутствии которого переход от режима слабого изнашивания к интенсивному изнашиванию осуществляется при более высоких критичеких нагрузках.
В силу структурной неоднородности и физико-химических различий между компонентами алюмоматричные дисперсноупрочненные КМ можно характеризовать как далекие от равновесия и по этой причине способные к процессам самоорганизации при трибонагружении. Введение в КМ высокомодульных дисперсных наполнителей позволяет не только достичь высоких трибологических характеристик, но и рассматривать эти материалы в качестве модельных при изучении общих закономерностей трения и изнашивания.
Исследовали структуру поверхностей после фрикционного взаимодействия стали 40Х (45 HRC) с КМ на базе матриц из сплавов алюминия (АМгІ, Діб, АК12), армированных частицами карбида кремния зеленого (ГОСТ 26327-84) со средним размером 28 и 40 мкм и 3 мкм. Анализ рельефа рабочих поверхностей трения выявляет следы структурной самоорганизации. В начальный период испытания в результате абразивно-пластического деформирования на сопряженных поверхностях появляются параллельные полосы в направлении скольжения. На стадии установившегося процесса трения на поверхности колодок формируются фрагментированные вторичные структуры. Максимальный размер фрагментов (ячеек) на колодках из сплавов 06Ц6С6, АМгІ, Діб и АЛ2 изменяется в пределах 0,1-0,5 мкм, на колодках из МКМ - в пределах 5-10 мкм. На границах ячеек в МКМ присутствуют частицы SiC, однако их размер заметно уменьшился по сравнению с исходным ( 1 мкм), что может быть результатом разрушения, декогезии и последующего шаржирования частиц в матрицу. Вторичные структуры типа ячеистых, как известно, способны минимизировать разрушение поверхностных слоев и экранировать недопустимые процессы схватывания. Армирующие частицы SiC служат при этом дополнительными несущими элементами.
Анализ поверхностей трения образцов после трибологических испытаний из промышленного алюминиевого сплава Діб и КМ на его основе исследовали на оптическом микроскопе. На поверхности видны параллельные борозды в направлении скольжения - результат абразивно-пластического деформирования при трении (рис. 4.1).
Общий вид полос трения обоих образцов при больших увеличениях с указанием линии сканирования приведен на рис.4.2. по линии сканирования образца Діб расположен один гребень около канавки трения, тогда как в КМ таких гребня два. Ширина впадины канавки трения на образце матрицы больше, чем на образце КМ, что может быть связано с различной твердостью материалов. Однако в обоих материалах ширина гребня одинакова и составляет примерно 2-3 мкм. Можно также отметить, что чешуйки, наблюдаемые на поверхности трения матрицы, имеют более крупные размеры по сравнению с КМ.
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 диссипативных, или фрактальных,- структур можно определить как устойчивое промежуточное состояние, обеспечивающее высокую износостойкость образцов КМ. Ведущий механизм изнашивания на этой стадии - абразивный. Абразивное действие могут осуществлять продукты изнашивания — оксиды алюминия, обломки контртела, выкрошившиеся армирующие частицы.
С увеличением параметров и длительности трибонагружения ширина полос, где формируются диссипативные структуры, и размеры их фрагментов уменьшаются. Одновременно от поверхности вглубь образцов расширяется зона пластических сдвигов и поворотов. Формирование этой зоны связано с 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.
Изготовление деталей из биметаллической ленты с антифрикционным композиционным слоем
Внедрение сталеалюминиевой ленты позволит исключить экологически вредное производство сталебаббитовых вкладышей, позволив при этом повысить прочность и износостойкость.
Работоспособность и долговечность конструкции в большей мере определяется несущей способностью поверхностных слоев, которые наиболее часто подвергаются разрушениям. Использование биметаллической ленты, с поверхностным антифрикционным слоем в производстве достаточно широкое. Из биметалличекой ленты изготавливают неразъемные, разъемные, открытые подшипники и упорные кольца, вкладыши, полувкладыши и многие другие изделия. По условиям работы для замены антифрикционного слоя на КМ были рассмотрены следующие детали.
Подшипники скольжения из биметаллической ленты нашли широкое применение в текстильном, легком, продовольственном машиностроении, авиационной, судостроительной, автомобильной и других отраслях народного хозяйства [213,214]. Подшипники работают в условиях без смазки и со смазкой, выдерживают окружные скорости до 1000 об/мин, работа осуществляется в интервале температур 200-280 С. Должны быть устойчивы против коррозии. При использовании биметалла сталь — КМ рассматриваемой в работе группы можно достигнуть значительного удешевления подшипников. Подшипник 3182114, устанавливаемый в пиноли задней бабки металлобрабатывающего станка модели ЕМ-45, 1722. При обработке закаленных деталей с твердостью до 35 HRC, нагрузка возрастает в результате подшипник 3182114 часто выходит из строя. Подшипник состоит из наружной обоймы, изготовленной из стали 40 ГОСТ 1050 и внутренней обоймы из эпоксидной смолы с наполнителем из дисульфида молибдена толщиной 8мкм. Применение КМ в качестве внутреннего антифрикционного слоя позволит значительно сократить простои оборудования и увеличить межремонтный период.
Втулка свертная ОСТ 1.10289-78, применяемая главным образом для нужд текстильного машиностроения (в ткацких станках). Изготавливается из металлофторопластовой ленты выпускаемой в соответствии с ТУ — 27 — 01 — 01 - 2 - 71 Климовским машиностроительным заводом. Основой материала является лента из стали ГОСТ 1050, покрытая с обеих сторон слоем меди марки Ml ГОСТ 859 или латуни Л90 ГОСТ 15527. На стальной основе спекается пористый бронзовый слой из сферического порошка 9-11% с частицами диаметром 0,063-0,16 мм. Замена рабочего слоя на КМ позволит значительно снизить себестоимость изготовления детали.
Вкладыши коренного подшипника кривошипно-шатуннго механизма двигателя автомобиля ВАЗ представлен на рисунке 6.9. (17). В традиционном варианте для изготовления вкладыша используется биметаллическая лента сталь - алюминий. Предлагается замена алюминиевого слоя на композиционный с целью увеличения срока службы и надежности. Так в случае аварийного прекращения подачи смазки узел трения с КМ позволит механизму оставаться работоспособным еще некоторое время, за которое можно предотвратить нарушение работы. Упорные полукольца (15) Рис. 6.9. среднего коренного подшипника кривошипно-шатунного механизма двигателя автомобиля восьмиклапанных двигателей, устанавливаемых на модели ВАЗ 2110 и 2111 и такие же полукольца на шеснадцатиклапанных двигателях - модель ВАЗ 2112. Изготавливаются из биметаллической ленты сталь-бронза. Предлагаемый вариант сталь КМ состава AMrl+2,5%SiC удовлетворяет предъявляемым к полукольцам требованиям. Использование КМ вместо бронзы позволит несколько снизить вес полуколец, повысит их надежность и обеспечит удешевление конструкции. Кроме того, использование алюминиевого сплава обеспечит беспроблемную утилизацию, тогда как, утилизация свинцовистой бронзы представляет собой некоторую экологическую опасность.
