CC BY
34
УДК 621.762
Д-р техн. наук Л. Р. Вишняков, канд. техн. наук В. П. Мороз, канд. техн. наук Б. Н. Синайский, канд. техн. наук И. М. Ромашко, канд. техн. наук В. С. Воропаев, В. Т. Варченко
Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАНУ, г. Киев
РАЗРАБОТКА И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ АЛЮМОМАТРИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ЧАСТИЦАМИ КАРБИДА КРЕМНИЯ
Рассматриваются вопросы разработки и исследования механических и триботехнических свойств перспективных алюмоматричных композитов на основе сплавов АМг5 и В95, упрочненных частицами карбида кремния, полученных методом порошковой металлургии с последующей горячей экструзией. Разработанные композиты обладают повышенной износостойкостью на воздухе и в воде при достаточно высоких механических характеристиках. Они рекомендуются для повышения износостойкости и долговечности деталей из алюминиевых сплавов, работающих в условиях интенсивного износа в коррозионных средах.
Введение
Современный этап развития металломатричных композиционных материалов (КМ) характеризуется разработкой процессов получения новых видов армирующих и матричных компонентов, эффективных технологических схем и поиском новых объектов для практического использования [1, 2].
Так, например, в авиационных конструкциях для настилов полов и трапов грузовых отсеков транспортных самолетов используются листы с шипами из алюминиевых сплавов. Как показал опыт их эксплуатации, такие шипы быстро изнашиваются, особенно в условиях интенсивных нагрузок и при коррозионном воздействии воды. Поскольку алюмокомпозиты, армированные дисперсными высокомодульными частицами карбида кремния (БЮ) в количестве 10-20 %, обладают повышенными прочностью, жесткостью и износостойкостью [3-5] их применение для изготовления шипов вызывает практический интерес.
В данной работе для получения КМ на основе алюминиевых сплавов АМг5 и В95 с наполнителями из порошковых частиц БЮ была опробована технология горячей экструзии прутков диаметром 5-10 мм. Как оказалось, этот метод дает перспективу экономного расходования материалов и рационального введения
в КМ упрочняющих частиц БЮ (по сравнению с существующими литейными технологиями) и может быть использован в авиационной технологии, в том числе и для изготовления износостойких шипов.
Материалы и методика исследования В работе для приготовления шихты композиционных алюмоматричных материалов использовали порошки алюминиевых сплавов АМг5 и В95 размером 100-160 мкм, полученные методом распыления, а также промышленные порошки карбида кремния со средним размером частиц ~14 мкм.
Химический состав сплавов для матриц исследуемых алюмоматричных композитов представлен в табл. 1.
Из смесей, содержащих 10 % масс. частиц БЮ прессовали брикеты диаметром ~ 25 мм с пористостью ~20 %. Горячую экструзию брикетов осуществляли при температуре ~ 450 °С через конусную фильеру с получением прутков диаметрами от 5 до10 мм.
Механические свойства КМ (предел прочности при растяжении <з условный предел текучести ст0 относительное удлинение при разрушении 5) определяли по результатам испытаний образцов на установке УМЭ 10Т с записью диаграмм растяжения. На образцах из КМ и алюминиевых сплавов также измеряли твердость по Бринеллю.
Таблица 1 - Химический состав сплавов АМг5 и В95 [6]
Марка Химический состав, %
Al Cu Mg Mn Si Fe Zn Ti Другие компоненты Сумма примесей
АМг5 (1550) основ а < 0,1* 4,8-5,8 0,3-0,8 < 0,5* < 0,1* < 0,2* 0,02-0,1 Be 0,002-0,05 0,1
В95 (1950) основ а 1,4-2,0 1,8-2,8 0,2-0,6 < 0,5* < 0,5* 5,0-7,0 - Cr 0,10-0,25 0,1
* — учитывается как примесь
© Л. Р. Вишняков, В. П. Мороз, Б. Н. Синайский, И. М. Ромашко, В. С. Воропаев, В. Т. Варченко, 2009
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepianu i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2009
Сравнительные исследования триботехнических свойств КМ и стандартных алюминиевых сплавов проводили по схеме вал-вкладыш на машине трения М-22 [7] на воздухе (сухое трение) и в воде. Скорости скольжения 0,5 и 1 м/с были выбраны при различных значениях давления в диапазоне 0,2-4,0 МПа. Такие значения близки к возможным нагрузкам на настилы в грузовых отсеках самолетов. Путь трения при испытаниях составлял 1 км. В качестве контртела использованы закаленные кольца из стали 45 с твердостью ИЯС 45-48 и шероховатостью поверхности Я равной 0,63-0,32 мкм. При испытаниях определяли коэффициенты трения и массовый износ образца и контртела. Интенсивность изнашивания (I) определяли как отношение I = Ат/Ь, где Ат - потеря массы образцов при взвешивании после испытания, Ь - путь трения.
Металлографические исследования шлифов образцов КМ выполняли на оптическом микроскопе «№орЬсЛ-32». Исследования поверхностей трения ком -позитов и матричных сплавов после испытаний проводили на сканирующем электронном микроскопе «8ирегргоЪе-733».
Результаты исследований
Микроструктуры металлокомпозитов АМг5+10 % 8Ю и В95+10 % 8Ю, исследованные на нетравленых шлифах образцов после экструзии, представлены на рис. 1. Как следует из анализа этих микроструктур,
упрочняющие частицы 8Ю в объеме композитов распределены равномерно.
Эффект упрочнения от введения 10 % масс. частиц 8Ю в матричные сплавы АМг5 и В95 можно оценить по данным свойств, представленным в табл. 2.
Анализ механических свойств образцов показал, что для КМ на основе АМг5 введение частиц 8Ю приводит к увеличению предела прочности по сравнению со стандартным сплавом примерно на 20 %, а предел текучести ст0 2 повышается на 50-60 %. Вместе с тем, пластичность КМ уменьшилась до 4-6 % по сравнению с 10-15 % для матрицы, но находится на достаточно высоком уровне пластичностью алюминиевых композитов [1]. Повышение прочности КМ на основе В95 при введении частиц 8Ю менее существенно. Так, предел прочности аВ увеличился примерно на 15 %, а предел текучести ст02 - на 30 %. Относительное удли -нение 5 при разрушении практически осталось без изменения по сравнению с матричным сплавом.
Измерение твердости по Бринеллю показало, что введение упрочняющих частиц увеличило твердость композитов по сравнению с твердостью матричных сплавов. Армирование сплава АМг5 10 % масс. частиц 8Ю увеличило твердость на 30 %. Для сплава В95 этот эффект менее заметен, поскольку увеличение твердости составило ~10 %, что можно объяснить тем, что в матричном сплаве присутствуют дисперсные упрочнители в виде интерметаллидов, образующихся
Рис. 1. Микроструктура образцов КМ АМг5+10 % БЮ (а) и В95+10 % БЮ (б), х200
Таблица 2 - Механические свойства сплавов АМг5 и В95 [6] и композиционных материалов на их основе, армированных частицами БЮ
№ п/п Состав образцов Плотность, р, г/см3 Характеристики прочности и пластичности
МПа ^0,2 МПа 5, %
1 АМг5 2,66 250-270 110-120 10-15
2 В95 2,79 500-540 400-430 4-6
3 КМ АМг5+10 <%31С 2,73 310-330 180-200 4-6
4 КМ В95 +10 %8Ю 2,83 580-620 520-570 4-5
при распаде пересыщенных твердых растворов системы Al-Zn-Mg-Cu. Необходимо также отметить, что введение 10 % масс. частиц БЮ с плотностью р = 3,193,21 г/см3 практически не увеличивает плотность ком -позитов (возрастание плотности на 2-3 %) по сравнению с матричными сплавами.
Сравнительные испытания на трение и износ показали существенное влияние упрочняющих частиц БЮ на уменьшение износа КМ (рис. 2). Это влияние оказалось особенно значительным при испытаниях в воде. Судя по результатам сравнительных испытаний образцов КМ и матричных сплавов на воздухе при давлениях 0,2-4,0 МПа, износ образцов матричных сплавов АМг5 и В95 примерно в два раза превышает износ КМ на их основе (см. рис. 2, а). Так, например, при среднем давлении 2,0 МПа массовый износ КМ АМг5+10 % БЮ составил 11 мг/км по сравнению с 22 мг/км для сплава АМг5; для КМ В95+10% БЮ -соответственно, 13 и 23 мг/км. При этом установлено, что сплав АМг5 уже при давлении 3,0 МПа переходит в условия задира, в то время, как КМ продолжает удов -летворительно работать до давления 4,0 МПа.
При испытаниях на трение в воде (капельная подача) (см. рис. 2, б) катастрофический износ и схватывание для образцов матричных сплавов наступает при значительно меньших давлениях. Так, для сплава АМг5 катастрофический износ (до 110 мг/км) и схватывание происходит уже при давлении 0,5 МПа, а для сплава типа В95 - при 1,0 МПа (катастрофический износ -160 мг/км). КМ с частицами БЮ на основе этих алюминиевых сплавов удовлетворительно работали при давлении до 4,0 МПа и массовом износе 4-7 мг/км.
Сравнивая износостойкость КМ на основе сплава АМг5 и более прочного КМ на основе сплава В95, можно отметить их незначительное отличие по износостойкости при испытаниях как на воздухе, так и в воде. Так, например, при испытаниях на воздухе при давлении 2,0 МПа массовый износ для КМ на снове
АМг5 составил 11 мг/км, а для КМ на основе В95 -13 мг/км. При испытаниях в воде массовый износ составил соответственно 1,8 мг/км и 1,5 мг/км. Поэтому выбор материала для работы в изделиях необходимо осуществлять, используя и другие критерии, в частности, характеристики свариваемости материалов.
На рис. 3 показаны зависимости коэффициентов трения / от давления матричных сплавов АМг5 и В95 и КМ на их основе. Можно отметить, что при испытаниях на воздухе коэффициенты трения у образцов КМ, армированных частицами БЮ, выше, чем образцов матричных сплавов: / = 0,45-0,65 по сравнению с /= 0,3-0,45. Возможно, это связано с тем, что твердые частицы карбида кремния, в условиях трения вырываются с поверхности композитов и образуют канавки в более мягком материале матричных сплавов [5], что приводит к увеличению коэффициентов трения. При увеличении давления до 3,0-4,0 МПа за счет приработки и наличия продуктов износа между трущимися поверхностями образцов КМ и контртела коэффициенты трения снижаются, приближаясь к значениям / для матричных сплавов (например, /= 0,45 для КМ на основе В95 и / = 0,40 для сплава В95 при удельном давлении 0,3 МПа).
При триботехнических испытаниях КМ в воде составил / = 0,3-0,5. Можно отметить общую тенденцию снижения коэффициента трения по сравнению с сухим трением (/ = 0,45-0,7). Наблюдается также стабилизация коэффициентов трения для обоих типов КМ на уровне / = 0,4-0,5 после увеличения давления более 1,5-2,0 МПа. Это можно объяснить заполнением продуктами коррозионного износа трущихся поверхностей образцов КМ и контртела. Подтверждением такого предположения является снижение массового износа КМ при испытаниях в воде по сравнению с сухим трением. Так, например, для КМ на основе сплава В95 интенсивность изнашивания в диапазоне давления 1,5-4,0 МПа составила: при испытаниях в воде - I = 1,5-3,5 мг/км;
35 5 30 £25
у 20
0
1 -15
I >5 10 Л -
Е 5
Й 0 га
А к 2
*
—- —4 I
[
4 7 ' к** X \ 1* *
¡Г
л 2 г А Давление, мпа
Рис. 2. Зависимость массового износа от давления для стандартных алюминиевых матричных сплавов АМг5 (1) и В95 (2) и композиционных материалов на их основе (1*, 2*), армированных частицами БЮ: триботехнические испытания на воздухе (а) и в воде (б). Стрелками на рисунках обозначены начала задиров при испытаниях на износ
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2009
57
при испытаниях в условиях сухого трения - I =11-16 мг/км.
Микроструктура поверхности образцов сплавов АМг5 и В95 с очагами схватывания после трибоиспы-таний в воде показана на рис. 4, а; б. Было установлено, что переход в условия задира для матричных сплавов характеризуется схватыванием материала образца и контртела с последующим вырывом материала образца. При этом, как отмечалось ранее, катастрофический износ и схватывание для сплава АМг5 наступает при давлении 0,5 МПа, а для сплава В95 - 1,0 МПа.
Что касается композитов, то за счет приработки матричных материалов и под влиянием продуктов износа при увеличении времени работы пары трения и
повышении давления шероховатость поверхностей трения уменьшается, происходит ее некоторое выглаживание (рис. 4, в; г). Это говорит о том, что образцы из КМ с 10 % масс. БЮ на основе этих сплавов при повышенном давлении до 4,0 МПа удовлетворительно работают на износ.
Таким образом, путем введения частиц карбида кремния в исследованные алюмоматричные сплавы удается получить КМ с повышенными эксплуатационными свойствами, которые можно реализовать в конструкциях авиационной техники, например, в грузовых отсеках транспортных самолетов.
О.в
0.7
го;е |о.5
^0.2
Зол !£
0
к V"
1 1 1
*
\ \
1 2
2 3
Давление. МПа
а
0,6
ч-0,5 к
I 0.4
а>
а
ь 0,3
¡0,2 =г
■1-0.1 -82 о
ьс
Л / 2 Г/1
Л^Г 1
Уу / \ \
V 2*
2 3 Давление, МПа
Рис. 3. Зависимость коэффициента трения / от давления для стандартных алюминиевых матричных сплавов АМг5 (1) и В95 (2)
и композиционных материалов на их основе (1*, 2*), армированных частицами БЮ: триботехнические испытания на воздухе (а) и в воде (б). Стрелками на рисунках обозначены начала задиров при испытаниях
на износ
б г
Рис. 4. Микроструктура поверхности образцов матричных сплавов АМг5 и В95 и КМ на их основе после трибоиспытаний
в воде:
а - АМг5, Р = 0,5 МПа; б - В95, Р = 1,0 МПа; в - КМ АМг5+10БЮ, Р =4,0 МПа; г - КМ В95+10БЮ, Р = 4,0 МПа
Выводы
1. Разработаны и исследованы полученные экструзией порошковые композиционные материалы на основе алюминиевых сплавов АМг5 и В95, упрочненные 10 % частиц карбида кремния. Такие КМ обладают повышенной износостойкостью на воздухе и в воде при обеспечении достаточно высоких механических свойств.
2. Разработанные композиционные материалы могут быть рекомендованы для авиационной техники с целью повышения износостойкости и долговечности элементов конструкций из алюминиевых сплавов, работающих в условиях интенсивного износа в коррозионных средах.
Перечень ссылок
1. Evans A. Metal Matrix Composites in Industry: An
Introduction and Survey / Evans A., Marchi C., Mortensen
A. - Kluver academic publishers, Dordrecht / Boston /
London, 2003. - 415 p.
Одержано 14.09.2009
Розглядаються питання розроблення та до^дження MexaHi4Hux i mpu6omexHi4Hux властивостей перспективних алюмоматричних кoмпoзитiв на oснoвi сплaвiв АМг5 i В95, змщнених частками кapбiду кремню й отриманих методом порошковойметалургИ з подальшою гарячою eкстpузieю. Розроблет композити мають пiдвищeну зносостшюстьу пoвiтpi та вoдi при досить високих мeхaнiчних характеристиках iрекомендуються для пiдвищeння знoсoстiйкoстi й дoвгoвiчнoстi деталей з aлюмiнieвих сплaвiв, що працюють в умовах iнтeнсивнoгo зношування в корозшних середовищах.
The problems of development and study of mechanical and wear friction properties of perspective aluminum matrix composites based on alloys АМг5 and В95 being reinforced with silicon carbide particles and produced by the powder metallurgy techniques with subsequent hot extrusion have been considered. The proposed compositesposess higher wear resistance at air and in water with sufficiently high mechanical characteristics and are recommendedfor the improvement of wear resistance and durability of components made of aluminum alloys operating under critical condition of intensive wear and corrosive media.
Структура и некоторые свойства оксидных кристаллов на основе муллита и армированных ими композитов с алюминиевой матрицей / [Вишняков Л.Р., Мороз В.П., Синайский Б.Н. и др.] // Нош матерiали i технологи в ме-талурги та машинобуцуванш. - 2006. - № 2. - С. 27-31. Чернышова Т. А. Дискретно армированные композиционные материалы с матрицами из алюминиевых сплавов и их трибологические свойства / Т. А. Чернышова, Л. И. Кобелева, Л. К. Болотова. - Металлы. - 2001. -№ 6. - С. 85-98.
Y. Sahin. Preparation and some properties of SiC particle reinforced aluminum alloy composites / Y. Sahin // Materials and Design 24 (2003). - P. 671-679. S. Zhang. Comparison of friction and wear performance of brake material dry sliding against two aluminum matrix composites reinforced with different SiC particles / S. Zhang, F. Wang // Journal of Material Processing Technology 182 (2007). - P. 122-127. Машиностроительные материалы : Справочник / Ред. А. Я. Раскатов. - М. : Машиностроение, 1980. - 540 с. Полотай В. В. Машины для испытания на трение и износ / В. В. Полотай // Технология и организация производства. - 1970. - № 6. - С. 86-88.
4
5
ISSN 1607-6885 Нов1 матер1али i технологи в металургИ та машинобудуванш №2, 2009 59
