CC BY
51
УДК 536.74
ПРИМЕНЕНИЕ АЛЮМОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, ДИСПЕРСНО АРМИРОВАННЫХ КЕРАМИЧЕСКИМИ ЧАСТИЦАМИ, ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Луц Альфия Расимовна, к.т.н., доцент (e-mail: [email protected]) Закамов Дмитрий Васильевич, к.т.н., доцент (e-mail: [email protected]) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
В представленной работе проводится анализ опубликованных в последнее время исследований по применению алюмоматричных композиционных материалов, дисперсно упрочненных частицами керамических фаз, для изделий триботехнического назначения.
Ключевые слова: СВС, алюминиевые сплавы, трибология, керамическая фаза, карбид титана, карбид кремния.
В настоящее время для производства изделий триботехнического назначения применяются самые разнообразные материалы: латуни [1], бронзы оловянные [2] и безоловянные [3], баббиты свинцовые и оловянные [4], алюминиевые сплавы с оловом [5] или с кремнием [6] и т.д. Однако приведенные традиционные сплавы не могут соответствовать все более повышающимся требованиям, предъявляемым к материалам для трибосопряже-ний высоконагруженных механизмов. Современные условия эксплуатации предполагают создание материалов не только с высокой прочностью, но и с малой массой, высокими показателями модуля упругости и ударной вязкости. Этим требованиям в полной мере соответствуют алюмоматричные композиционные сплавы, дисперсно-упрочненные частицами керамических фаз. За последние 10-15 лет появилось значительное количество работ отечественных и зарубежных исследователей, посвященных их разработке.
В связи с ценовой доступностью и высоким уровнем свойств, наиболее изученными среди объемно-армированных алюмоматричных композитов являются материалы, упрочненные частицами карбида кремния [7-11]. Например, в работе [12] отмечается, что композиты, получаемые методом механического замешивания в алюмоматричный расплав дисперсных керамических частиц SiC (размером 10-15 мкм), могут быть использованы для получения жаропрочных, термически стабильных и износостойких деталей двигателей внутреннего сгорания - поршней или головок блоков цилиндров.
В другой работе [13] предлагается использовать композицию, включающую частицы SiC с размером (3-40 мкм) в сочетании с графитом, в качестве антифрикционного покрытия на стальную или алюминиевую основу. Установлено, что введение графита в количестве не более 5 об.%, кото-
рый выполняет роль сухой смазки, обеспечивает создание на поверхности контакта дополнительной защитной пленки, что позволяет использовать пару «композит по композиту» в реальных узлах трения. Также в работе исследуется влияние различных по длительности режимов термической обработки (закалка, искусственное старение) с целью дисперсионного твердения матрицы композитов. Установлено, что термообработка положительно влияет на равномерность распределения армирующих частиц, что повышает антифрикционные свойства материала, а возникающие при этом сжимающие напряжения положительно влияют на усталостную прочность и износостойкость.
В исследовании [14] предложены антифрикционные композиции на базе промышленных сплавов АК12, АК12М2МгН, полиармированные дискретными частицами БЮ или ТЮ и интерметаллидными фазами (соединения типа А13Ме, где Ме - V, Т1, Сг, И, 7г, Бс), модифицированные нанораз-мерными добавками (шунгиты, алмаз (С), ТЮК и др.). Причем в данном исследовании сочетаются методы получения композиционных сплавов: керамическая фаза вводится извне, готовая (ех-БЙи), а интерметаллидная -формируется в расплаве (т-БЙи). Автор отмечает, что все дисперсно-наполненные композиты, содержащие в качестве наполнителя частицы ТЮ (для исследования брались частицы карбида титана размером <40 и 40-100 мкм в количестве 5 и 10 масс. %), обладают лучшими триботехническими свойствами (меньшими значениями коэффициента трения, интенсивности и коэффициента изнашивания, и большими значениями коэффициента стабильности) по сравнению с материалами, упрочненными частицами Б1С.
В опубликованной недавно диссертационной работе [15] предлагается изготавливать функционально-градиентные слоистые композиции на основе сталей с поверхностным рабочим слоем из алюминия и его сплавов, упрочненных дисперсными частицами. Т.е. в состав матричного расплава (А1, A1-Cu-Mg, А1-БьСи и др.) вводятся готовые керамические частицы А1203, В4С, БЮ или ТЮ (т.н. метод ех-БЙи), а затем полученную композицию наносят на стальную поверхность посредством электродуговой или плазменно-порошковой наплавки. По результатам значительного объема выполненных работ авторы делают выводы о том, что оптимальным наполнителем является фаза карбида титана, добавленная в количестве 10 масс.%, и обладающая наибольшим модулем упругости, предела прочности и высокой смачиваемостью, а значит, и сродством к матричному сплаву. Отмечается увеличение износостойкости до 10 раз и снижение коэффициента трения на 60% по сравнению с традиционными антифрикционными сплавами А020-1 и Б83. Однако следует отметить, что данная технология подразумевает многостадийность: отдельное получение керамических частиц (по фракционному составу исследовались две группы: <40 мкм и 40-100 мкм), приготовление композиционного сплава, изготовление наплавочных гранул, нанесение покрытий на стальную основу и заключительное модифицирование поверхностного композиционного слоя с целью
диспергирования структуры матрицы и повышения ее прочности. Кроме того, в данной работе существенный эффект достигается только при условии введения карбидной фазы в присутствии дополнительных реакционно-активных элементов (например, Ti), хотя и отмечается, что из образующихся фаз TiC и Al3Ti именно первая эффективнее снижает коэффициент трения.
Таким образом, по результатам исследований отечественных ученых очевидно, что наиболее перспективными для изделий триботехнического назначения являются композиционные материалы, дисперсно-упрочненные керамической фазой карбида титана. Вместе с тем, следует отметить, что во всех приведенных выше работах предлагается механическое замешивание готовой, предварительно синтезированной карбидной фазы (ex-situ). Хотя уже давно известно и неоднократно доказано, что формирование фазы непосредственно в расплаве (in-situ) способствует повышению ее смачиваемости и лучшему усвоению в составе матричного материала, а также открывает возможности для повышения дисперсности армирующей фазы в составе композита. Обеспечить подобные условия возможно путем применения метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в расплаве алюминия, который за рубежом уже давно признан одним из самых перспективных [16-18]. Так, в обзорной работе индийских ученых [19] проводится сравнение нескольких методов получения композиционного материала, упрочненного дисперсной фазой карбида титана - механическое замешивание, прокатка, технология in-situ - и наиболее высокие механические свойства получены в случае применения последней методики, причем твердость и прочность увеличиваются, а скорость износа и коэффициент трения, наоборот, линейно уменьшаются прямо пропорционально увеличению доли карбидной фазы. Также зарубежные исследователи отмечают зависимость триботехниче-ских свойств от размера частиц карбидной фазы и температуры. В работе [20] в состав матричного сплава состава Al-5%Cu-0,45%Mn-0,3%Ti-0,2%Cd-0,2%V-0,15%Zr-0,04%B вводилась смесь порошков алюминия, титана, углеродных нанотрубок и черного графита для формирования методом СВС нано- и микрочастиц карбида титана. Выявлено, что сопротивление износу композита с 0,5 масс. % наночастиц TiC при 180°С под нагрузкой 20 Н было на 83,5% выше, чем у матричного сплава, и на 16,5% выше, чем у сплава с 5 масс. % микрочастиц TiC.
Принимая во внимание приведенные исследования, становится очевидным, что получение методом СВС триботехнических алюмоматричных композиционных материалов, дисперсно-упрочненных наночастицами карбида титана, является актуальной и перспективной задачей современного материаловедения.
Список литературы
1. ГОСТ 17711-93 Сплавы медно-цинковые (латуни) литейные. Марки. - Введен с 1995-01-01. - 8 с.
2. ГОСТ 613-79 ГОСТ 613-79 Бронзы оловянные литейные. Марки. Введен с 198001-01. - 3 с.
3. ГОСТ 493-79 ГОСТ 493-79 Бронзы безоловянные литейные. Марки. Введен с 1980-01-01. - 8 с.
4. ГОСТ 1320-74. Баббиты оловянные и свинцовые. Технические условия. Введен с 1975-01-01. - 11 с.
5. ГОСТ 14113-78 Сплавы алюминиевые антифрикционные. Марки. Введен с 198001-01. - 4 с.
6. ГОСТ 30620-98. Сплавы алюминиевые для производства поршней. Технические условия. Введен с 2001-07-01. - 10 с.
7. Adebisi A.A., Maleque M.A., Rahman M.M. Metal matrix composite brake rotor: historical development and product life cycle analysis // International Journal of Automotive and Mechanical Engineering. - 2011. - Vol. 4, pp. 471-480.
8. Hartaj Singh, Sarabjit, Nrip Jit. An overview of metal matrix composite: processing and SiC based mechanical properties/ Journal of Engineering Research and Studies. - 2011. -Vol. II. - pp. 72-78.
9. Yang Y., Lan J., Li X. Study on bulk aluminum matrix nano-composite fabricated by ultrasonic dispersion of nano-sized SiC particles in molten aluminum alloy// Material Science and Engineering. A380. 2004. - pp. 378-383.
10. Михеев Р.С., Коберник Н.В., Чернышов Г.Г., Чернышова Т.А. Влияние импульсного лазерного излучения на структуру и свойства алюмоматричных композиционных материалов, армированных частицами SiC // Физика и химия обработки материалов. 2006. - №6. - С. 17-22.
11. Панфилов, Ал. А., Панфилов А.В., Кечин В. А. Трибологические характеристики алюмоматричных композиционных материалов, полученных in-situ процессом // Литейщик России. 2007. - №10.- С.22-24.
12. Аксенов А. А. Оптимизация состава и структуры композиционных материалов на алюминиевой и медной основе, получаемых жидкофазными методами и механическим легированием: дис. ... д-ра техн. наук: 05.02.01. Москва: РГБ, 2007. - 390 с.
13. Курганова Ю.А. Разработка и применение дисперсно упрочненных алюмоматричных композиционных материалов в машиностроении: дис. ... д-ра техн. наук: 05.16.06. Москва: РГБ, 2008. - 285 с.
14. 14 Калашников И.Е. Развитие методов армирования и модифицирования структуры алюмоматричных композиционных материалов: дис. ... д-ра техн. наук: 05.16.06. Москва: РГБ, 2011. - 428 с.
15. 15 Михеев Р. С. Перспективные покрытия с повышенными триботехническими свойствами из композиционных материалов на основе цветных металлов: дис. ... д-ра техн. наук: 05.16.06. Москва: РГБ, 2018. - 442 с.
16. Амосов А.П., Луц. А.Р., Латухин Е.И., Ермошкин А. А. Применение процессов СВС для получения in situ алюмоматричных композиционных материалов, дискретно армированных наноразмерными частицами карбида титана: Обзор // Известия вузов. Цветная металлургия. - 2016. — №1. — С. 39-49.
17. Casatti R., Vedani R. Metall Matrix Composites Reinforced by Nano-Particles — A Review // Metals. 2014. — №4. — P. 65-83.
18. Луц, А.Р. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез модифицирующих лигатур и композиционных сплавов в расплаве алюминия с применением флюсов: дис. ...канд. техн. наук.- Самара.- 2006. - 176 с.
19. U. Pandey, R. Purohit, P. Agarwal, S. Kumar Singh. Study of Fabrication, Testing and Characterization of Al/TiC Metal Matrix Composites through different Processing Techniques /Materials Today: Proceedings. 2018. - № 5.- Р. 4106-4117.
20. Wei-Si Tian, Qing-Long Zhao, Chuan-Jiang Zhao, Feng Qiu, Qi-Chuan Jiang. The Dry Sliding Wear Properties of Nano-Sized TiCp/Al-Cu Composites at Elevated Temperatures / Materials. 2017. - №. 10. - P 939.
Luts Alfiya Rasimovna, Cand. Tech. Sci., associate professor
(e-mail: [email protected])
Samara state technical university, Samara, Russia
Zakamov Dmitry Vasilievich, Cand. Tech. Sci., associate professor
Samara state technical university, Samara, Russia
APPLICATION OF ALUMINUM COMPOSITE MATERIALS DISPERSEDLY REINFORCED BY CERAMIC PARTICLES FOR TRIBOTECH APPLICATIONS
Abstract. This work presents an analysis of recent studies on the use of aluminomatrix composite materials dispersively hardened by particles of ceramic phases for tribological products.
Key words: SHS, aluminum alloys, tribology, ceramic phase, titanium carbide, silicon carbide.
