CC BY
8
(e-mail:dubov-vovka@yandex.ru)
Samara State Technical University, Samara
INDUCTION COMPLEX FOR HEATING STEEL BILLETS
The article deals with the design of a high-performance induction unit for heating ferromagnetic blanks before processing on deforming equipment. Specific features of induction heating of ferromagnetic materials are noted. The issues of designing a two-section induction heater with a minimum section length are considered. A schematic diagram of an induction complex with autonomous power supplies for each section is proposed.
Key words: induction heating, frequency, power, temperature distribution, simulation, control
DOI: 10.47581/2021/SMTT/34.1.005
АЛЮМОМАТРИЧНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ СПЛАВ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ, ПОЛУЧЕННЫЙ
МЕТОДОМ СВС Махонина Юлия Владимировна, аспирант (email: cullenbella97@mail.ru) Самарский государственный технический университет, Самара, Россия
В данной работе представлены механические и эксплуатационные свойства алюмоматричного композиционного сплава триботехнического назначения.
Ключевые слова: триботехника, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, алюмоматричный композит, эксплуатационные свойства.
Для определения возможности синтеза сплава системы (Al-5%Cu-2%Mn-4%Ni)-10%TiC (далее именуемого как сплав АМ5Г2Н4-ТЮ10) было необходимо провести термодинамический анализ, который был выполнен с использованием программы «THERMO». Результаты термодинамического анализа приведены на рисунке 1.
Для определения областей применения сплава системы АМ5Г2Н4-TiC10 был проведен ряд исследований.
На рисунках 2 и 3 представлены сравнения таких показателей, как теплостойкость (рис. 2) и предел прочности (рис. 3).
Как можно видеть из диаграммы представленной на рисунке 2 - добавление частиц карбида титана увеличивает твердость в условиях высоких температур примерно на 15%, что так же должно положительно отразиться на прочности сплава.
2300 2100 1900 1700 1500 1300 1100 900
Начальная температура расплава, К
Al4C Al3T
473 573 673 Температура расплава, К
а)
б)
0,35
ль 0,3
2 0,25 и
н 0,2
о
в
5 0,15 е ч
В 0,1
К0,05 0
573 673 773
Температура расплава, К
Температура расплава, К
373
473
873
973
в) г)
Рисунок 1 - Термодинамический анализ системы А1-Си-Мп-№-Т1С: а - адиабатическая температура; б - побочные фазы; в - количество Т1С;
г - интерметаллидные фазы
950
900
й850 С
£ 800
X 750
С 700
о
Ч
а 650 1)
* 600 550 500
Те пло стойко сть
911
85Л
787 1
1500*С 1550°С
Рисунок 2 - Сравнение показателей теплостойкости сплавов АМ5 (1) сплава системы А1-5%Си-2%№-4%Мп)-10%ТЮ (2)
АМ5Н4Г2-АМ5- АК4-1 * АК10М2Г TiC
4S0
Предел прочности, МПа (* - после термообработки закалка + искусственное старение)
Рисунок 3 - Сравнение сплава системы АМ5Г2Н4-ТЮ0 с существующими аналогами
На рисунке 3 показано сопоставление характеристик, показывающих предел прочности различных алюминиевых сплавов. Проанализировав полученные результаты, можно сделать следующие выводы: показатели предела прочности сплава, полученного нами (АМ5Г2Н4-ТЮ0) без термообработки, превышают значения предела прочности алюминиевого литейного сплава АМ5 после термической обработки приблизительно на 100 МПа; сопоставимы со значениями пределов прочности поршневого сплава АК4-1 после термической обработки; в сравнении со сплавом АК10М2Г, являющегося современным поршневым алюминиевым сплавом, сплав АМ5Г2Н4-ТЮ0 без термообработки так же показал более высокие прочностные характеристики.
Были проведены испытания сплавов на триботехнические свойства - износ. Испытания проводились на универсальном триботехническом комплексе «Универсал-1Б» (рисунок 4). Для испытания алюминиевых сплавов были выбраны следующие режимы:
- вид трения - граничное трение скольжения;
- схема испытаний «кольцо-плоскость»;
- материал контртела - сталь 40Х, закалка HRC 40.. .45;
- среда - синтетическое моторное масло Shell;
- нормальная нагрузка на контакт 300 Н (давление 20 МПа);
- частота вращения контртела - 600 об/мин;
- длительность испытаний - 20 минут (или до появления первых признаков схватывания).
На рисунке 5 представлены эпюры образцов сплавов АК10М2Н (рис. 5а) и АМ5Н4Г2-ТЮ (рис.5 б).
Рисунок 4 - Универсальный триботехнический комплекс «Универсал-1 Б»
= .....
I ^ ь & к ......... иг щ ни Н1 н щ л«
:
;
::: 1 |, .1111 1
= — я —
--- - —
о , О:« 1 = =3 - ....... ±-±5 „„О.ХО.ОО О: 1:3
а)
=— э— 1 ^ т - га -га -га - га^ ^ 1 = =.0 1 О ::го : 1 1 = .=. то
о- т
! ;;; ;;; ;;; ;;; ;;; ;;; ;;; ;;; ;;; ;;; ;;;
иг га - т
В- =- _ 1« ъ = -га — га^ ;;; ___ ; _ _; ___ ___ ;;; ;; --- --- --- ;;; ;;; ..... ..... ..... ;;; ;;; ;;; ;; --- ---
1>
53 —
От, 1 = 1=,.=. 0,1=,«. =
б)
Рисунок 5 - Эпюры испытания образцов АК10М2Н (а) и АМ5Г2Н4-Т1С10 (б) на триботехнические свойства
Оба образца успешно прошли испытания, о чем свидетельствует отсутствие скачков на эпюре, которые характерны для начала недопустимого вида изнашивания - изнашивания при схватывании. Образец АК10М2Н прирабатывался дольше, чем образец АМ5Г2Н4-Т1С10. Самым главным показателем данного испытания является тот факт, что износ сплава АК10М2Г за час испытаний составил 2,25 мкм, а синтезированного нами сплава - 1,5 мкм, что в 1,5 раза меньше.
На рисунке 6 представлена микростурктура образца из сплава АМ5Г2Н4-Т1С10.
■
V. %ь'<
.-л
КV* ■ aftГ
" ШГ?
iCF V
Ч- .
I
fl I
V
-
ЭДР1 >
/ ' r
/V ■
C: 'HM «F
%
>
* > 'wag1'* ■
X . vMf w" У г -„ ■
20J(V X10,000 1|jm
Рисунок 6 - Микроструктура сплава АМ5Г2Н4-ТЮ10
Частицы карбида титана равномерно распределены в алюминиевой матрице (рис. 6а) и их размер составляет от 107 до 250 нм (рис. 6б), что положительно влияет на механические свойства сплава (так как ранее учеными было доказано, что наличие наноразмерных частиц в структуре влечет за собой увеличение механических свойств материала, что отображено в таблице 1). Расчетные же данные свидетельствуют, что размер частиц будет составлять 31 нм.
Таблица 1 - Механические свойства сплава А1-Си-Мп-№-ТЮ
Ge НВ
[МПа] [МПа]
(Al- 5 %Cu)-10 %TiC 196 639
(Al-5%Cu-2%Mn-4%Ni)-10%TiC ** 385 * 1140
АК10М2Н 335 990
*перевод из HRB в HB по таблице; **предел прочности оцененный по твердости
Опираясь на вышесказанное, можно сделать вывод о том, что нам удалось достичь повышенных механических и эксплуатационных свойств сплава, в сравнении с другими сплавами на алюминиевой основе.
В рамках исследования данного сплава был проведен рентгенофазовый анализ.
Sample ID: —, Sample name: —, Temp; Î5.0°C
Date: 11/26/19 11:11 Step : 0.020° Integration Timer 0.600 sec Vert. Scale Unit: [CPS]
Range; 25.000 - 90.000* Cont. Sein Ratet 2.000 ["/min] Hotz. Scale Unit: [deg]
4000
Рисунок 7 - РФА сплава АМ5Г2Н4-ТЮ10
Используя данную дифрактограмму (рисунок 7) можно рассчитать более точный размер частиц. Для этого определим масштаб, для этого необходимо измерить длину отрезка 35° - 45°. Получаем следующие значения: 10° = 66 мм, 1° = 6,6 мм. Далее измеряем длину отрезка от 35° до фазы TiC, получаем 38 мм и после перевода в градусы (38/6,6) 5,7°. Определяем угол 20 = 35° + 5,7° = 40,7°, следовательно, 0 = 20,4° (cos 0 = 0,95). Находим значение «Ь» - для этого измеряем ширину пика на половине высоты 3 мм и после перевода в градусы (3/6,6) получаем 0,5°. Вычитаем из полученного значения «Ь» значение эталона «В» (рассчитано ранее по аналогичной схеме и равно 0,2°) и переводим в радианы 0,3°/57,3 = 5,2 ■ 10 10 радиан. Последним этапом является расчет размера частиц D при помощи использования формулы Селякова - Шеррера по длине волны X (для медного излучения в дифрактометре X = 0,154 нм) и углу отражения 0 (в данном случае 20,4°) дало следующий результат:
X 0,154 •Ю3
D= —-= —-= 31,5 нм
Р- cos6 5,2 • 0,94
То есть средний размер частиц карбида титана в системе (Al-5%Cu-4%Ni-2%Mn)-10%TiC, измеренный по уширению пиков на дифрактограм-ме (рис. 7), составляет 31,5 нм, что противоречит снимкам с электронного микроскопа (рис. 6), где видны частицы размерами 136, 156, 170, 215 нм.
Таким образом, наблюдается ситуация, при которой расчетный размер частиц оказывается меньшим, чем видимый на микроструктуре. Полученный факт можно объяснить высокой экзотермичностью реакции образования карбида титана.
Список литературы
1. Нагорнов Ю.С. Термодинамика зародышеобра-зования карбида кремния в процессе карбонизации нанопористого кремния / Ю.С. Нагорнов // ЖТФ. - 2015. - Т. 85. -Вып. 5. - С. 71-80.
2. Luts A.R. Nanostructured aluminum matrix composites of Al-10%TiC obtained in situ by the method of SHS in the melt /A.R. Luts, A.P. Amosov, A.A. Ermoshkin / Key Engineering Materials, 2016. - Vol.684. - pp. 281-286.
Makhonina Y.V., postgraduate student; (email: cullenbella97@mail.ru) Samara State Technical University, Samara, Russia
ALUMINUM COMPOSITE ALLOY FOR TRIBOTECHNICAL PURPOSE OBTAINED BY SHS
Abstract: This paper presents the mechanical and operational properties of an aluminum-matrix composite alloy for tribotechnical purposes.
Key words: tribotechnics, self-propagating high-temperature synthesis, aluminum-matrix composite, operational properties.
