CC BY
37
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 669.018.9
Ю. А. КУРГАНОВА, Т. А. ЧЕРНЫШОВА, М. В. КОКОРИН
ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ АЛЮМОМАТРИЧНЫХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ,
ДИСПЕРСНО УПРОЧНЁННЫХ ЧАСТИЦАМИ КЕРАМИКИ
Рассмотрена возможность направленного изменения свойств композиционных материалов с матрицей из алюминиевых сплавов АМг1 и Д16, дисперсноупрочнённых частицами керамики, путём обработки давлением
Известно, что пластическая деформация не только упрочняет металл, но и способствует изменению его структуры и свойств [1]. Потребность в легких и прочных материалах в современных условиях эксплуатации механизмов и машин достаточно велика. Наиболее привлекательными остаются алюминий и сплавы на его основе по причине их доступности, достаточно высокой технологичности и предсказуемости свойств. Упрочнение алюминиевых сплавов дисперсными высокомодульными частицами керамики позволяет получить композиционный материал (КМ) с комплексом новых весьма ценных свойств [2].
Композиционные материалы составляют особый класс гетерофазвых материалов, состоящих, как правило, из высокопрочных наполнителей и пластичных связующих (матриц), причём наполнитель в виде усиливающих элементов расположен равномерно или неравномерно (с заданным градиентом) по всему сечению матрицы. Совместная работа разнородных компонентов даёт эффект, равносильный созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из составляющих. Свойства полученного материала зависят как от свойств входящих компонентов, так и от связи по границе раздела наполнитель-матрица.
Композиционные материалы с металлическими матрицами отличаются повышенной жаропрочностью и длительной прочностью, хорошими магнитными, электрическими и демпфирующими свойствами. Высокая термическая стабильность алюминиевой матрицы при добавлении твёрдых частиц керамики определяет перспективность использования КМ на основе А1 в триботехнических целях [3, 4]. Материалы этой группы считаются перспективными заменителями бронз благодаря экономии дорогостоящих элементов, значительного снижения массы и относительной дешевизны [5]. Области применения диспер с н оу пр о ч н ё нных КМ
© Ю. А. Курганова, Т. А. Чернышева,
М. В. Кокорин. 2004
расширяются по мере их дальнейшего исследования.
Одной из главных задач при получении деталей из композиционных материалов является равномерное распределение армирующей фазы в матрице. Изменение распределения дисперсного наполнителя в матрице можно обеспечить подбором способа изготовления композиционного материала или путём использования методов обработки давлением.
Сущность методов обработки давлением заключается в комбинировании способов упрочнения - температурного воздействия и пластической деформации.
Для исследования изменений распределения структурных составляющих в КМ авторы выбрали методы поперечно-винтовой и плоской прокатки [б, 7, 8]. При поперечно-винтовой прокатке исходные литые заготовки из КМ на основе сплава алюминий -медь (Д16), армированные частицами SiC (средний диаметр 28 мкм, Vp = 15 %), в виде прутков диаметром 16 и длиной 240 мм нагревали перед деформированием в камерной печи до 450 - 500 °С в течение двух часов. Поперечно-винтовую прокатку осуществляли на ковочных вальцах в три прохода, калибры имели уменьшающиеся поперечные сечения, что позволяло получать различные степени обжатия на одной заготовке. Дробность деформации обеспечивала хорошую проработку структуры. На каждой заготовке контролировали по четыре степени деформации. Поперечно-винтовая прокатка обеспечивает формирование более равномерной мелкозернистой структуры. Средний размер зерна после 30 %-ной степени деформирования составляет 12 мкм, что в 3 раза меньше средней величины зерна материала матрицы Д16 в литом состоянии. После деформирования на 36 % в структуре образцов наблюдали трещины, что свидетельствует о начале разрушения и определяет предельно допустимую степень деформирования.
Металлографический анализ структуры рассматриваемых материалов показал, что в результате термомеханического воздействия происходит не только уменьшение размеров зёрен, но
и перераспределение частиц в теле матрицы. Распределение частиц в матрице оценивали до и после деформации по методу равноячеистого р аз б и е н и я и о ц и ф р о в а н и я ф ото из об р аже н и й структуры [9]. Показателем однородности
распределения частиц в матрице является процентно выраженное отношение клеток, занятых и не занятых частицами Для такой же оценки применяли и точечный метод А А. Глаголева: шлиф равномерно перемещали в поле, зрения микроскопа и подсчитывали число точек определяемых фаз, попавших на перекрестие. Количественное содержание частиц в исследуемом сплаве определяли по формуле
С = А/В х 100, (1)
где С - содержание частиц в матрице, %;
В - общее число ячеек разбиения поля видимости;
А - количество ячеек с наличием частиц.
В результате поперечно-винтовой прокатки при деформировании на 30 % отмечено увеличение однородности распределения частиц в матрице на 24 %, в результате чего обеспечено практически равномерное распределение частиц по всему объёму образца КМ (98 %). Увеличение однородности распределения благоприятно влияет на свойства материала в целом. Например, на механические -прочность и пластичность и на эксплуатационные -анти фр икцио н н ость.
Исследовали гакже способность материала к деформированию при плоской прокатке на вальцах RW с заданной степенью обжатия. Заготовки из КМ на основе сплава системы алюминий - магний (АМг-1) с добавлением 5 и 2,5 % частиц SiC представляли собой плоские образцы толщиной 1 мм, шириной 20 мм и длиной 200 мм. Непосредственно перед прокаткой заготовки подвергали нагреву при температуре 300 °С в течение 30 минут. Качество прокатки оценивали по состоянию поверхности и кромок при визуальном наблюдении согласно ГОСТ 10533-86. Действительную деформацию Ej рассчитывали по формулам:
Е] =(tH — ti) / tH х 100 %; (2)
E2 = (t„-t2)/tHx 100%, (3)
где tH> tb t2 - толщина образца соответственно начальная, после прокатки, после второй ступени обжатия, мм.
Начальная степень обжатия пластин КМ составила 20 %. При этом значительных разрывов и трещин на пластинах не было обнаружено. Вторая стадия деформирования с 30 %-ной степенью обжатия также не приводит к образованию нарушения сплошности полосы. Следовательно, исследуемый КМ претерпевает деформирование без разрушения и нарушения сплошности поверхности.
Анализ структуры КМ показал, что по границе раздела между армирующей фазой и матрицей не наблюдается видимых пустот и выступов. Частицы армирующего наполнителя распределены по всему объёму материала. Средняя величина зерна матрицы составляет 37 мкм.
Сравнительные показатели механических свойств, приобретённых в результате прокатки
образца
км Относитель- Временное
(АМг- ное сопротивление ств,
1+5% удлинение 5, МПа
SiC) %
ДО 5 7S
прокатки
после 8 118
прокатки
Изменения структуры исследовали
металлографически. После проведения прокатки из м снилось рас п р едел ен ие части ц: скопления наполнителя переориентировались за счёт формирования полос скольжения. При этом произошло значительное изменение зерен ной структуры: зёрна, имеющие округлую форму, после прокатки, в результате скольжения вытягиваются, и материал приобретает направленность структуры. При более тщательном исследовании следы скольжения оказываются состоящими из совокупности линий, что позволяет считать эти группировки полосами скольжения. Полосы скольжения разделяют кристалл на отдельные части. Эти части сдвигаются относительно друг друга и по мере развития деформации поворачиваются, изгибаются и вытягиваются, что приводит к более однородному распределению частиц по площади сечения. Получаемая после прокатки текстура достаточно сложна, а чем сложнее текстура, тем сильнее её влияние на механические свойства материала. Так, при проведении испытаний на растяжение образцов после прокатки относительное удлинение увеличилось в 1,6 раза, а временное сопротивление разрыву - в 1,5 раза по сравнению с недеформированными образцами (табл.).
Обращает на себя внимание одновременное увеличение прочности и пластичности образцов КМ после прокатки.
Улучшение равномерности распределения наполнителя в матрице отражается и на эксплуатационных характеристиках: обеспечивается стабильность коэффициента трения, уменьшается возможность задира. Чем равномернее распределены частицы керамики, тем выше антифрикционные свойства материала.
Таким образом, результаты исследования приводят к выводу, что при сочетании теплового воздействия и деформации улучшается однородность распределения частиц в матрице, что благоприятно влияет на свойства материала в целом. Сам факт возможности изменения распределения структурных составляющих открывает широкие возможности для управления свойствами и характеристиками КМ, что расширяет область их применения.
Б И Б Л И ОГРАФИ Ч ЕСКИЙ СПИСОК
1. Лившиц, Б. Г. Металлография / Б. Г. Лившиц. - М.: Металлургиздат, 1963. - 422 с.
2. Birol, Y. Технология изготовления композита TiC - AI / Birol Yucel // J. Mater. Sei. - 1999. - 34. -№7.-C. 1653 - 1657.
3. Чернышева, Т. А. Взаимодействие металлических расплавов с армирующими наполнителями / Т. А. Чернышова, Л. И. Кобелева, П. П. Шебо, А. В. Панфилов. - М.: Наука, 1993.-272 с.
4. К рейдер, К. Композиционные материалы с металлической матрицей. Т.4 / К. Крейдер. - М.: Машиностроение, 1978. - 503 с.
5. Семенов, Б. И. Освоение композитов - путь к новому уровню качества материалов / Б. И. Семенов // Литейное производство. - 2000. - № 8.- С. 6-11.
6. Лагунов, В.- С. Композиционные триботехнические материалы и технология их изготовления / В. С. Лагунов, 3. X. Милушев, Д. В. Лагунов // Машиностроитель. - 1997. — № 9. - С. 2-6.
7. Бернштейн, М. Л. Текстурные превращения при термомеханической обработке / М. Л. Бернштейн, Т. В. Морозова // Металловедение и термообработка металлов. - 1988. -№ 2. — С. 7 - 10.
8. Справочник по термомеханической и термической обработке . металлов / M. Е. Смагоринский, А. А. Булянда, С. В. Кудряшов . -СПб.: Политехника, 1992.-416 с.
9. Курганова, Ю. А. Влияние параметров структуры, условии нагружения и предварительной
термообработки на трибохарактеристики КМ / Ю. А. Курганова, Т. А. Чернышова, Л. И. Кобелева, Т. В. Люлькина, Ю. Н. Берлет // Металлы. - 2000. - № 6. -С. 108- 11 1.
10. Чернышова, Т. А. Структура межфазных границ и механическое поведение композиционного материала на основе алюминия, армированного частицами карбида кремния / Т. А. Чернышова, Л. И. Кобелева, А. В. Панфилов, Т. В. Корж // Перспективные материалы. - 1997.С. 27-33.
Курганова Юлия Анатольевна, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Материаловедение и обработка металлов давлением» УлГТУ, начальник лаборатории отдела главного металлурга приборостроительного завода ОАО «УТЕС», г. Ульяновск. Имеет публикации в области практического использования КМ и изучения возможностей дисперсноупрочнённых атомо-матричных материалов.
Чернышова Татьяна Александровна, старший научный сотрудник И МЕТ им. А. А. Байкова РАН, г. Москва, профессор, доктор технических наук. Имеет публикации по теории КМ, рассмотрению свойств и межфазных взаимодействий.
Ко корин Максим Валерьевич, аспирант, ведет исследования структурнонеоднородных материалов.
УДК 621.922.079(088.8) Е. А. КАРЕВ, И. Н. ТУЛИСОВ
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КРУГЛОГО НАРУЖНОГО ШЛИФОВАНИЯ ПУТЁМ ОСЕВОЙ ОСЦИЛЛЯЦИИ ЗАГОТОВОК
Рассмотрена возможность повышения эффективности круглого наружного врезного шлифования за счет использования осевой осцилляции заготовок.
Известен ряд направлений повышения эффективности круглого наружного шлифования (КНШ): скоростное шлифование, шлифование со скрещивающимися осями инструмента и заготовки, кругами с прерывистой рабочей поверхностью, композ иционными кругам и, вибрационное (осциллирующее) шлифование, применение высокоэффективны}; СОЖ; шлифование с наложением ультразвуковых колебаний и др. Существенный интерес представляет вибрационное шлифование, сущность которого заключается в следующем: на шлифовальную бабку или непосредственно на шлифовальный круг, или на стол с заготовкой накладывают дополнительное, направленное вдоль оси заготовки, вибрационное (осциллирующее) движение.
Е. А. Карев, И. Н. Тулиеов, 2004
В результате относительного возвратно-поступательного перемещения шлифовального круга и заготовки каждое режущее абразивное зерно вращающегося круга будет царапать материал не по направлению вектора окружной скорости круга а под некоторым углом к нему со скоростью V, которая является результирующей двух скоростей - Ук и скорости вибрации (осцилляции) Ув. При такой схеме обработки абразивное зерно будет осуществлять микрорезание большим количеством граней, чем при обычном шлифовании, благодаря чему появится возможность более полного использования режущей способности каждого зерна, уменьшить теплонапряжённость процесса шлифования и силы резания, увеличить период стойкости инструмента, снизить шероховатость шлифованной поверхности. Однако использование таких схем сопряжено со
t ч
