Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЁННЫЕ КОМПОЗРЩИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С МЕТАЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ И ОСОБЕННОСТИ ИХ СВАРКИ И НАПЛАВКИ 6
1.1. Общие характеристики композиционных материалов . 6
1.2. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы системы Al-SiC и их трибологические свойства. 10
1.3. Существующие методы дуговой наплавки дисперсно-упрочнённых композиционных материалов с металлической матрицей. 18
1.4. Особенности сварки плавлением композиционных материалов системы Al-SiC. 24
1.5. Выводы и постановка задач исследования. 34
Глава 2. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКО - ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКРЫТИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ СИСТЕМЫ Al-SiC ДУГОВОЙ НАПЛАВКОЙ 36
2.1. Взаимодействие между частицами карбида кремния и алюминиевой матрицей.
2.2 Расчетная оценка влияния температуры на реакции взаимодействия расплава матрицы с карбидом кремния. 42
2.3. Влияние эффективной вязкости композиционных материалов системы Al-SiC на формирования наплавленного покрытия. 52
2.4. Выводы по главе 2 56
Глава 3. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 57
3.1.. Выбор и обоснование составов присадочного материала из КМ для дуговой наплавки. 57
3.2. Выбор схем и режимов дуговой наплавки КМ. 60
3.3. Выбор схем и режимов сварки взрывом КМ. 66
3.4. Методы исследований покрытий из КМ. 68
3.5. Экспериментальная установка для аргонодуговой наплавки. 75
3.6. Выводы по главе 3. 78
Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ДУГОВОЙ НАПЛАВКИ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ ИЗ КМ СИСТЕМЫ Al-SiC И ИХ ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА 79
4.1. Основные технологические схемы дуговой наплавки покрытий из композиционных материалов. 79
4.2. Получение образцов дуговой наплавкой для проведения испытаний на трение и износ 90
4.3. Получение образцов сваркой взрывом для проведения испытаний на трение и износ 99
4.4. Результаты испытания слоев из композиционных материалов на трение и износ. 104
4.5. Выводы по главе 4. 114
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 116
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 118
- Общие характеристики композиционных материалов
- Взаимодействие между частицами карбида кремния и алюминиевой матрицей.
- Выбор и обоснование составов присадочного материала из КМ для дуговой наплавки.
Введение к работе
Совершенствование и развитие современной техники требует создания материалов, обладающих качественно новым комплексом эксплуатационных свойств. Новыми материалами, отвечающими современным требованиям, являются композиционные материалы (КМ), свойства которых могут заранее проектироваться под определённую задачу.
Композиционные материалы с металлической матрицей, упрочнённой тугоплавкими высокомодульными, высокопрочными частицами керамики, являются весьма перспективными материалами для отраслей машиностроения. Об этом свидетельствует отечественный и зарубежный опыт опробования таких КМ в подвижных сопряжениях различных механизмов и машин.
Среди этих материалов в последнее время большой интерес вызывают дисперсно-упрочнённые КМ системы Al-SiC (КМ с матрицей из алюминиевых сплавов, армированной частицами карбида кремния), которые при соответствующем составе матричных сплавов и определённой объемной доле армирования, обладают низкими значениями коэффициентов трения и дают весьма высокие результаты по износостойкости. Кроме того, такие КМ имеют хорошие литейные свойства и возможность пластической и механической обработки. Важными достоинствами дисперсно-упрочнённых КМ на базе легких алюминиевых сплавов являются их малый удельный вес и низкая стоимость.
Однако для успешного применения новых КМ в машиностроении необходимо совершенствование способов обработки КМ, в том числе, разработка способов сварки и наплавки.
Особый интерес имеет получение наплавленных покрытий из КМ на деталях, работающих в условиях трения. Применение покрытий из КМ на рабочих поверхностях трибосопряжений позволит повысить ресурс работы деталей во фрикционном контакте. Однако анализ литературных и патентных источников, посвященных данной проблеме, показал, что работы в направле-
5 ний наплавки покрытий из КМ практически отсутствуют. Это объясняется тем, что определение свариваемости исследуемых КМ ещё находится на стадии накопления экспериментальных данных и, кроме того, отсутствует присадочный материал, который мог бы использоваться при получении наплавленных покрытий.
Из вышеизложенного следует, что разработка технологии получения наплавленных покрытий из дисперсно-упрочнённых КМ системы Al-SiC имеет исключительную актуальность.
Целью работы является повышение износостойкости и трибологиче-ских свойств деталей, работающих в условиях сухого трения, путём аргоно-дуговой наплавки композиционных материалов системы Al-SiC на алюминиевые сплавы.
Общие характеристики композиционных материалов
Одним из перспективных путей развития машиностроения является использование композиционных материалов (КМ) в различных изделиях. За последние годы опубликовано большое количество зарубежных и отечественных работ, посвященных композиционным материалам [1-15]. Согласно этим работам основные признаки КМ сводятся к следующим:
1) материал отсутствует в природе в естественном виде и является искусственно созданным продуктом;
2) в материале предусмотрено наличие двух или более компонентов (фаз), отличающихся по своему составу и разделенных четко выраженной границей;
3) в материале заранее проектируется сочетание, форма, размер и распределение компонентов;
4) свойства материала определяются каждым из его компонентов, которые присутствуют в нем в достаточных количествах;
5) материал обладает такими свойствами, какими не обладают его компоненты, взятые в отдельности;
6) материал является неоднородным в микромасштабе, но однороден макроскопически.
По этим признакам к КМ не относятся такие неоднородные материалы, как слоистые разнородные с малым количеством слоев, например, биметаллы; материалы с покрытиями; пористые материалы. Порошковые материалы, в том числе полученные из ультрадисперсных порошков, также обычно рассматриваются отдельно, хотя и матрицы, и наполнители КМ могут быть порошковыми.
Существует три разновидности КМ по морфологии армирующих фаз (рис. 1.1.): нульмерные, или упрочненные частицами различной дисперсности, беспорядочно распределенными в матрице; одномерные волокнистые, или упрочненные однонаправленными непрерывными или короткими волокнами; двухмерные слоистые, или содержащие одинаково ориентированные упрочняющие ламели или ленты.
Рис. 1.1 .Схематичное изображение композиционных материалов с различной структурой: а) нульмерные; б) одномерные; в) двухмерные композиционные материалы; 1-матрица, 2-армирующий наполнитель, Sp-межчастичное расстояние, drдиаметр волокна, di-толщина слоя.
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.
Сочетание в одном материале веществ, существенно различающихся по химическому составу и физическим свойствам, выдвигает на первый план при разработке, изготовлении, эксплуатации и особенно при наплавке покрытий из КМ проблему термодинамической и кинетической совместимости компонентов.
Термодинамической совместимостью является способность матрицы и армирующего наполнителя находиться в состоянии термодинамического равновесия неограниченное время при температурах получения и эксплуатации [16].
Кинетической совместимостью является способность компонентов КМ сохранять метастабильное равновесие в определенных температурно-временных интервалах [16]. 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 способности к релаксации напряжений, предупреждающей перегрузку и преждевременное разрушение упрочняющих фаз. Существует ряд приемов обеспечения физико-химической совместимости
компонентов в КМ:
- выбор в качестве наполнителей КМ веществ, химически стойких в кон
такте с металлическими матрицами при высоких температурах;
- нанесение на армирующие наполнители барьерных покрытий;
- применение матричных сплавов такого состава, при котором ограничено химическое взаимодействие на поверхностях раздела за счет уменьшения растворения наполнителя или образования сегрегации, экранизирующих взаимодействие;
- уменьшение длительности пребывания КМ при температурах интенсивного межфазного взаимодействия.
Взаимодействие между частицами карбида кремния и алюминиевой матрицей
Изучение процессов взаимодействия армирующих компонентов с материалом матрицы чрезвычайно важно при разработке технологий наплавки композиционных материалов. Как показано выше в КМ системы Al-SiC активно протекают процессы межфазного взаимодействия, а для получения покрытий из КМ с необходимым комплексом свойств, необходимо ограничивать это взаимодействие. Ограничение взаимодействия можно достичь за счет грамотного подбора технологических параметров дуговой наплавки.
Проведём оценочный расчёт методом, предложенным Исайкиным А.С., Чубаровым В.М., Трефиловым Б.Ф. и др. в работе [71], для расчёта взаимодействие частиц карбида кремния с расплавом алюминиевой матрицы с образованием карбида алюминия АЦСз- Согласно этому методу процесс взаимодействия можно представить в виде:
Затем определяем изобарно - изотермический потенциал AG5 реакции (2.7) как сумма изобарно - изотермических потенциалов реакций (2.3) - (2.6) AG і, AG2, AG3 AG4 В данной работе изобарно - изотермический потенциал AG и AG2, AG4 определяли по методу, изложенному в работе [72]. Этот метод представляет собой ускоренный, но точный метод, основанный на методе Тейкина и Шварцмана. Отличительной чертой используемого метода является предварительное табулирование не только температурных функций уравнения логарифма константы равновесия, как это имеет место в расчете по методу Тем-кина и Шварцмана, но и функций энтальпии (теплосодержания) АН, изменения энтропии AS и изменения коэффициентов для теплоємкостей всех участников реакции Аср.
Особенностью настоящего метода является также и то, что все эти функции с помощью существующих таблиц заранее вычислены для простейших соединений, образующихся из элементов. Это дает возможность вычислять логарифмы констант равновесия любых сложных реакций алгебраическим сложением заранее вычисленных функций, соответствующих каждому реагенту.
Расчёт значений логарифмов констант равновесия реакций производится по уравнениям:
Каждый член уравнения (2.9) представляет собой алгебраическую сумму соответствующих реагентам численных значений одной из вышеупомянутых функций АН, AS и АСР. Логарифм константы равновесия реакции в свою очередь представляет собой алгебраическую сумму всех членов последнего уравнения. Это позволяет расчет производить в более удобной табличной форме.
Для определения логарифма константы равновесия поступим следующим образом. Выпишем символы всех участников реакции в отдельную таблицу, расположив их один под другим по вертикали. Значения молярных коэффициентов при каждом реагенте выписываются вместе с символами. Затем выпишем из [72, 73] функции, относящиеся к каждому из реагентов, в той же последовательности, в какой они помещены в расчетной таблице. После этого произведем алгебраическое сложение найденных функций в каждом столбце по вертикали. Результат, условно обозначенный через А/, представляет собой: для первого столбца — изменение функции от АН рассматриваемой системы, т. е. А/ (АН), для второго столбца — изменение функции от AS рассматриваемой системы, т. е. Af (AS) и т. д.
Затем выпишем под последней строкой все значения температурных функций, относящиеся к заданной температуре. Они заполняются в той же последовательности, исключая только второй вертикальный столбец, в который значения температурных функций не проставляются.
Выбор и обоснование составов присадочного материала из КМ для дуговой наплавки
В качестве наносимого материала опробованы КМ с матрицей из алюминиевых сплавов AMrl ( 0,05 % Si; 0,01% Си; 0,5 -1,8 %; Mg, 0,05 % Fe; ГОСТ 4784—97) и АК12М2МгН (11 -13 % Si, 1,5 -3 % Си; 0,3 - 0,6 % Мп; 0,85 - 1,35 % Mg; 0,5 % Zn; 0,05 -1,2 % Ті; 0,3 - 1,3 % Ni; 0,8 % Fe; 0,2 % Cr; 0,1 % Sn; ГОСТ 1583-93). Такой выбор матричных сплавов определяется результатами анализа проведённого в Главе 1 и теоретическими исследованиями, проведёнными в Главе 2.
Сплав AMrl имеет наилучшие показатели свариваемости по сравнению с другими сплавами, используемыми в качестве матриц алюмоматричных КМ. Кроме того, добавка Mg в сплав улучшает смачивание керамических частиц. Сплав АК12М2МгН относится к многофазным термически упрочняемым алюминиевым сплавам с температурой плавления 505С. КМ на его основе обладают лучшими трибологическими свойствами [17].
Выбранные для наплавки матричные сплавы отличаются содержанием кремния, наличие которого в матричном сплаве согласно термодинамическим расчетам, приведенным в Главе 2, ограничивает взаимодействие частиц карбида кремния с расплавом алюминиевой матрицы. Однако, оценка влияние кремния в условиях дуговой наплавки при ограниченном времени пребывания КМ при высоких температурах требует дополнительных экспериментальных исследований.
В качестве армирующего наполнителя для наплавляемого КМ применяли частицы карбида кремния зелёного (ГОСТ 26327-84) размером 14 и 28 мкм. Объёмная доля армирования составляла 5, 8 и 10%. При выборе объёмной доли армирования и среднего размера частиц руководствовались данными о трибологических свойствах КМ подобного состава. Учитывали также изменение вязкости расплава КМ при увеличении концентрации кремния и частиц карбида кремния.
Композиционные материалы получали литейным (жидкофазным) методом механического замешивания частиц карбида кремния в расплав матрицы. Такой метод получения основан на введении указанных тугоплавких керамических дисперсных частиц в жидкометаллическую ванну при интенсивном механическом перемешивании. Схема установки для получения КМ показана на рис. 3.1. Перед замешиванием порошки выдерживали в печи при температуре 550-600С в течение 2 часов для сушки, выжигания случайных органических загрязнений и окисления свободного кремния и вводили в расплав в течение 45-60с. Замешивание производили дисковой мешалкой со скоростью бООмин-1. Температура расплава жидкой матрицы составляла 1023±10К. По окончании подачи порошка перемешивание продолжали в течение 15-20 с, после чего вращающуюся мешалку поднимали из тигля. Перед разливкой в кокиль композиционную смесь выдерживали в плавильной печи без перемешивания 5-10 мин для уменьшения количества газовых включений. После заливки в кокиль композиционного расплава получали заготовки размером 8x50x120 мм. Микроструктура полученных заготовок представлена на рис. 3.2.
Затем, для получения присадочного материала, заготовки подвергали прокатке до образования прутков квадратного сечения размером 2x2мм и длиной 500мм (рис. 3.3). После прокатки прутки подвергали термообработке (отжиг при 400С в течение 2 часов). Таким образом были изготовлены прутки из КМ следующих составов AMrl+5% SiC(28) АК12М2МгН +5% SiC(28). На рис. 3.4 показана микроструктура продольного и поперечного сечения прутка из КМ АК12М2МгН +5% SiC(28).
Похожие диссертации на Разработка технологических основ дуговой наплавки износостойких покрытий из композиционных материалов системы Al-SiC
