CC BY
74
УДК 631.3.004; 621 382.049
Ю.С. Алексеева, ст. преподаватель
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ЦЕНТРОБЕЖНОГО ЛИТЬЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВТУЛОК ИЗ ГРАДИЕНТНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Известно, что одной из проблем современного сельскохозяйственного машиностроения является износ деталей машин в парах трения скольжения. Около 80...90 % механизмов выходит из строя из-за изнашивания сопрягаемых деталей. Ремонт и техническое обслуживание машин в несколько раз превышает их стоимость. В этой связи особое внимание уделяется работам по созданию новых антифрикционных материалов, в том числе композиционных (КМ), в которых искусственно объединены высокопластичные металлические матрицы, например сплавы алюминия, и высокопрочные, высокомодульные наполнители. При таком сочетании фаз достигаются значительное повышение несущей способности материалов трибосопряжений, высокая износостойкость и задиростойкость, стойкость против абразивного изнашивания [1]. Преимущества алюминиевых сплавов в качестве матриц КМ — высокие теплопроводность, теплоемкость и технологические свойства. Армирующие наполнители с резко отличающейся от матрицы твердостью не только повышают износостойкость КМ, но и выполняют функцию поддерживающих опор, снижают коэффициенты трения в широком диапазоне параметров нагружения [2].
Возможность регулирования трибологических свойств КМ достигается за счет выбора матричных сплавов с разным уровнем прочности и пластичности, введения в матрицу наполнителей различной природы, объемного содержания и размера, последующей термической или термомеханической обработки. При этом наблюдается изменение таких физико-химических процессов на контактных поверхностях, как пластическое деформирование, тепловые эффекты, химические реакции, в том числе циклические реакции окисления-восстановления; разрушение межфазных связей частица-матрица, дробление и перераспределение частиц, механическое легирование поверхностных слоев, приводящее к образованию «третьего тела» [1].
Получение градиентных композиционных материалов (ГКМ) с высоким содержанием армирующего компонента на поверхности детали, повышенными износостойкостью, нагрузочной способностью и фрикционной теплостойкостью позволяет применить метод центробежного литья для изготовления ГКМ на основе матрицы из алюминиевого сплава АК12, армированной керамическими ча-
96
стицами различной природы и состава. КМ на основе металлической алюминиевой матрицы имеют большой потенциал применения в легковесных деталях автомобилей, тракторов, комбайнов и других сельскохозяйственных машин. При этом износостойкость ГКМ значительно выше, чем подшипниковых бронз или антифрикционных силуминов. Помимо улучшения технических характеристик многих ответственных деталей, использование КМ на базе алюминиевых сплавов способно обеспечить 20.30 % экономии массы деталей. Широкое применение получили детали типа втулка.
Структура поверхностного слоя ГКМ влияет на износостойкость контртела, так как армирующие элементы ГКМ, повышая твердость поверхностного слоя, могут привести к микрорезанию контртела при испытаниях на износ. Механическая обработка деталей из ГКМ не позволяет получить оптимальную микрогеометрию, твердость и плотность поверхности. Эффективным направлением одновременного повышения твердости и улучшения микрогеометрии поверхностного слоя является от-делочно-упрочняющая электромеханическая обработка (ОУЭМО) [3].
Метод центробежного литья опробован для получения ГКМ на базе алюминиевых сплавов, армированных керамическими частицами различной природы и состава [4]. Поверхностные слои с повышенной концентрацией армирующей фазы организованы за счет направленного перемещения дисперсных частиц в жидкометаллической суспензии. Известно, что перемещение дисперсных частиц в поле действия центробежных сил определяется их плотностью. Твердые дисперсные частицы, имеющие плотность большую, чем матричный алюминиевый сплав, перемещаются к наружной стенке формы (изложницы), менее плотные — к оси вращения, на свободную поверхность (во внутреннюю часть отливки). Основная часть армирующих частиц, находящихся во вращающемся расплаве, согласно табл. 1, будет стремиться к перемещению в сторону стенок изложницы. Необходимо также учитывать транспортные функции частиц разной плотности. Это создает возможности синтезировать ГКМ методами литья с различной степенью армирования.
Исследованы процессы, определяющие перемещение матричной жидкости и армирующих ча-
Таблица 1
Значения уч - у м для различных армирующих частиц в сплаве АК12 [4]
Дисперсные частицы уч, г/см3 (Тч - Y м^ г/см3
SiC 3,2 0,54
Al2O3 3,99 1,33
Графит 1,7 -0,96
Базальт 2,75 0,09
стиц при вращении формы вокруг горизонтальной оси; конвекционные движения в жидкости; всплывание частиц. На разных режимах методом центробежного литья получены образцы градиентных композиционных материалов (ГКМ) на базе алюминиевого сплава АК12 (табл. 2), армированного частицами Al2O3 (40 мкм), SiC (40 мкм), графи-тизированного углерода (200.400 мкм), базальта (< 60 мкм). При исследовании трех шлифов, вырезанных по высоте втулки, на всех образцах наблюдалась большая пористость материала. Металлографические исследования проводили на оптическом микроскопе Axiovert 40 MAT с использованием программного обеспечения.
Металлографический анализ показал, что в образцах 1, 2, 4, 5, 7, 8, 10, 11 градиентный слой либо не формируется вообще, либо недостаточно плотен по всей длине наружной поверхности. Согласно результатам анализа, нагрев расплава до температур 680 °С и 720 °С недостаточен для формирования градиентного слоя независимо от частоты вращения отливки. При исследовании структуры образцов состава 3, 6,
9, 12 обнаружено, что у наружной поверхности сформировался отчетливый и плотный градиентный слой, содержащий до 45 % армирующих частиц, а в середине и на свободной поверхности наблюдается их отсутствие.
Из металлографических исследований и графиков распределения частиц по ширине втулки следует, что температура заливаемой композиции влияет на характер распределения частиц значительно больше, чем частота вращения. Также выявлено, что ширина градиентных слоев и распределение частиц в этих слоях меняются с изменением удельного веса частиц и по высоте втулок. Выявлена возможность выполнения частицами транспортной функ-
ции (образец 16), когда частицы с большей плотностью (А1203) увлекают за собой к внешней стенке изложницы менее плотные частицы (графита). Распределение частиц по высоте примерно одинаково, всплыванию графита препятствуют частицы А1203 Структура и распределение частиц в ГКМ показаны на рис. 1, 2, 3, 4, 5.
Испытания на сухое трение проводили на установке МТУ-01 (ТУ 4271-001-29034600-2004). Схема контакта: торец вращающейся втулки (й = 13 мм) скользит по неподвижной шайбе (й = 30 мм). Определяли также изменение веса испытуемых образцов. Контртело изготовляли из сталей 40Х. Твердость образцов измеряли на твердомере Wo1pert 930N методом Виккерса (НУ10). Измерения твердости образцов показали, что методом центробежного литья можно изготавливать ГКМ с твердым поверхностным слоем, обладающим повышенной износостойкостью. Недостатком является только его пористость.
В процессе трибологических испытаний установлено снижение температуры разогрева в зоне трения, увеличение стабильности коэффициента трения и снижение показателей износа. Средние значения коэффициентов трения приведены в табл. 3.
Выводы
В процессе исследований проанализированы методы получения ГКМ и по основным конструк-
Таблица 2
Образцы градиентных композиционных материалов
Состав композиционного сплава Температура заливки, °С Температура формы, °С Частота вращения формы, мин-1 Ось враще- ния
АК12 + 5 % А1203
(диаметр среза 40 мкм) 680 250 1000 Горизон- тальная
АК12 + 5 % А1203 720 250 1000 »
АК12 + 5 % А1203 780 250 1000 »
АК12 + 5 %81С (диаметр среза 40 мкм) 680 250 1000 »
АК12 + 5 %81С 720 250 1000 »
АК12 + 5 %81С 780 250 1000 »
АК12 + 5 % А1203 680 250 1500 »
АК12 + 5 % А1203 720 250 1500 »
АК12 + 5 % А1203 780 250 1500 »
АК12 + 5 %81С 680 250 1500 »
АК12 + 5 %81С 720 250 1500 »
АК12 + 5 %81С 780 250 1500 »
АК12 + 5 %С (диаметр среза 200.400 мкм) 730 230 1000 Верти- кальная
АК12 + 5 %С 710 240 1000 Горизон- тальная
АК12 + 5 % базальта
(короткие волокна, диаметр среза 12 мкм, длина < 3 мм) 760 210 1200 »
АК12 + 10 %А1203 + 2 %С 750 210 1200 »
0 £ш
* «V Щ \5я
І&! 4 А 1 '* , .л * и|мм
а б
Расстояние от наружного края, мм
в
Рис. 1. Образец 3:
а — наружная поверхность образца х50; б — внутренняя часть образца х50; в — распределение армирующих частиц по ширине втулки
Щ<Т#Ъ ^ N
■ ^
1
ІЇІШ* 1,1 ^
рбл шЬ к.
а б
Расстояние от наружного края, мм
в
Рис. 2. Образец 6:
а — наружная поверхность образца х50; б — внутренняя часть образца х50; в — распределение армирующих частиц по ширине втулки
я
я
*
я
а
2
&
К
к
X
сЗ
а
&
о
§
о
Расстояние от наружного края, мм
Расстояние от наружного края, мм
Рис. 3. Образец 9:
а — наружная поверхность образца х50; б — внутренняя часть образца х50; в — распределение армирующих частиц по ширине втулки
тивно-технологическим характеристикам выбран эффективный метод для изготовления деталей типа втулка.
Рис. 4. Образец 12:
а — наружная поверхность образца х50; б — внутренняя часть образца х50; в — распределение армирующих частиц по ширине втулки
Выявлены температурные режимы литья, обеспечивающие формирование плотных градиентных слоев в ГКМ: температура нагрева оснаст-
б
б
а
а
в
в
У.' г; • '
: і
' ,Vfi* 'ЙЙІ-Л ^
а
б
Рис. 5. Фотографии микроструктуры образца 15:
а — панорамный вид; б, в — градиентный слой (соответственно х100, х200)
Таблица 3
Средние значения коэффициентов трения
Материал Нагрузка, Н
18 28 39 50
АК12 2,34 1,48 1,25 1,15
АК12 + 5 %А1203 (диаметр среза 40 мкм; однородное распределение частиц) АК12 + 5 %А1203 (40 мкм) 0,97 0,77 0,58 0,81 0,49
АК12 + 5 %81С (40 мкм; однородное распределение частиц) АК12 + 5 %81С (40 мкм; режим VI) 0,67 0,57 0,51 0,62 0,43
ки 250 °С; температура расплава 780°С; частота вращения формы 1000 мин-1, 1500 мин-1. Испытания на трение и износ свидетельствуют о перспективности применения ГКМ в изделиях триботехнического назначения.
Отделочно-упрочняющая электромеханическая обработка поверхности градиентных композиционных материалов — эффективный способ обработки втулок из ГКМ для получения требуемой шероховатости, плотности и износостойкости поверхностного слоя.
Список литературы
1. Чернышова, Т.А. Дискретно армированные композиционные материалы с матрицами из алюминиевых сплавов и их трибологические свойства / Л.И. Кобелева, Л.К. Болотова // Металлы. — 2001. — № 6. — С. 85-98.
2. Kevorkijan V. Functionally graded aluminium matrix composites // Amer. Ceram. Society Bul. — 2003. — v. 82. — 2.
3. Густов, Ю.И. Электромеханическая закалка исполнительных поверхностей длинномерных цилиндрических деталей / Ю.И. Густов, С.К. Федоров, Л.В. Федорова // Строительная техника, оборудование, технологии XXI века. — 2007. — № 1. — С. 42-43.
4. Панфилов, А.В. Изготовление градиентных композиционных материалов методом центробежного литья / А.В. Панфилов, Т.А. Чернышова, Л.И. Кобелева, Ю.С. Алексеева // IV Междунар. конф. «Материалы и покрытия в экстремальных условиях». — Ялта, 2006.
УДК 631.3-82:665.334.94
А.М. Бугаев, аспирант
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»
ВЛИЯНИЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ПРИСАДКИ «ВАЛЕНА» НА ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАПСОВОГО МАСЛА
В настоящее время гидроприводы используют во всех моделях тракторов и во многих сельскохозяйственных машинах. Помимо основной функции — перевода рабочих органов машин в рабочее или транспортное положение гидропривод все чаще
применяют в качестве усилителей рулевого управления, в регуляторах глубины пахоты, в приводах активных рабочих органов и др.
В связи с этим важно обеспечить потребителей недорогими смазочными материалами, так как
99
