CC BY
13
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСКРЕТНО АРМИРОВАННОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ С ВЫСОКИМИ МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
Савченков Сергей Анатольевич
Студент кафедры металлургии, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург
Бажин Владимир Юрьевич Д.т.н., профессор, декан химико-металлургического факультета, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
Известно, что литые алюмоматричные композиционные материалы (АМКМ) перспективны для широкого практического применения в различных областях машиностроения в качестве конструкционных, антифрикционных и других материалов, которые позволяют снизить массу изделий, повысить характеристики их работы, создать принципиально новые конструкции. Поэтому, разработка и применение композиционных материалов, состоящих из матрицы и распределенных в ней армирующих элементов актуально для получения уникальных свойств в изделиях из алюминиевых сплавов. Это является одним из перспективных направлений развития современного материаловедения, когда наряду со структурными изменениями происходит кардинальное изменение механических свойств. В большинстве случаев только композиционные материалы могут удовлетворить требованиям новой техники, для которой характерно ужесточение условий эксплуатации: повышение нагрузок, температур, агрессивности сред, уменьшение веса и т.д. Однако, несмотря на все достоинства данных сплавов, объемы их практического использования пока не соответствуют запросам современной промышленности. В значительной степени это связано с несовершенством научно-технических основ создания таких сплавов, которые бы позволяли прогнозировать и гарантированно выбирать их состав, структуру и технологию получения, чтобы реализовать заданный уровень физико-механических и эксплуатационных свойств изделий, при доступной их стоимости [1, с. 46].
Поэтому проблема применения различных схем легирования для улучшения алюминиевых сплавов остается актуальной, что дает импульс для развития технологий получения композиционных сплавов на основе алюминия. В настоящее время продолжаются разработки, связанные с получением армированных алюминиевых сплавов, которые в первую очередь направлены на создание сплава с равномерной структурой заготовки [2,3].
Целью работы является разработка технологии получения композиционного материала (композиционного сплава) на основе алюминия с повышенной прочностью и износоустойчивостью, за счет принудительного ввода легирующих компонентов в виде высокопористой таблети-рованной лигатуры 81+С+8г в расплав встречным потоком.
Задачи исследования:
- определить рациональный химический состав и структуру лигатуры 81+С+8г для точного и быстрого легирования алюминиевого сплава;
- провести комплексное исследование закономерно-
стей формирования структуры и свойств полученного алюминиевого сплава;
- выявить и сформулировать основные требования к качеству лигатуры (гранулометрический состав, размер частиц);
- оценить механические свойства и выявить влияние легирующих компонентов на структуру и свойства полученного сплава.
На первом этапе теоретических исследований было выявлено, что уникальные свойства легирующих компонентов в полной мере могут быть реализованы лишь при их равномерном распределении в матричном материале, что является основной проблемой существующих способов легирования.
На основании анализа литературы [4, 5, 6] с учетом поставленных в работе задач были выбраны материалы и методики экспериментов. Объектами исследования стали алюминий марки А7Е наиболее широко используемый в базовых системах легирования Al-Cu, Al-Mg, Al-Cu-Mg, Al-Zn, Al-Si и лигатура на основе кремния марки Кр00, углерода (измельченный в мельнице кокс) и стронция.
Для получения порошка наноразмеров кремния, углерода и стронция первоначально была проведена операция измельчения в вибрационном истирателе (IsaMill). С целью определения влияния дисперсности составляющих лигатуры на степень усвоения легирующих элементов был проведен ряд экспериментов по введению лигатуры с различным гранулометрическим составом компонентов. Исследования проводили на лабораторной установке «триплекс плавильный комплекс», состоящей из тигельной печи, герметичного реактора, термопары, вакуумного насоса, баллона с аргоном и пульта управления печи. В качестве исходных материалов применяли алюминий марки А7Е, кремний Кр00 и кокс; для получения мелкой зерненной структуры также добавляли стронций. Алюминий помещали в углеграфитовые тигли, которые располагали в печи и нагревали до температуры 750 оС. Расплавленный алюминий подавался в трубу, в которой расположены три пенокерамических фильтра с компонентами лигатуры. На первом фильтре был расположен кремний, на втором кокс и на третьем стронций, далее расплав продавливали поршнем, через фильтры с целью принудительного легирования расплава встречным потоком (рис. 1). Фильтрация расплава через пенокерамические фильтры проводилась для снижения содержания неметаллических примесей. При прохождения расплава алюминия через фильтры, высокопористый слой таблетированной лигатуры взаимодействовал с расплавом алюминия, далее расплав охлаждали со скоростью 103 град/с.
Рисунок 1. Прохождение расплава через фильтры
По результатам химического состава проб изучали усвоение легирующих компонентов. Проведены металлографические исследования. Оценивалась равномерность распределения интерметаллидных фаз на нанотвердомере (Shumadzu), после ввода лигатуры в алюминий. Панорам-
ные металлографические исследования проводили с помощью микроскопа (TeSCAN). Выявлено, что каждый элемент таблетированной лигатуры выполняет определенные функции. Так, при тиксолитье в жидко-твердом состоянии происходит переход в недендритную структуру (рис.2 а,б,в).
а б в
Рисунок 2. Переход из дендритной структуры в мелкодисперсную матрицу
При этом между зернами алюминиевой матрицы формируются эвтектические колонии (прослойки) Al-Si (рис. 3 а), которые имеют более высокий показатель жид-котекучести, стронций выравнивает и коагулирует зерен-ную структуру, а частицы углерода формируют матричный каркас (рис. 3 б).
Интерметаллидные фазы с увеличением скорости охлаждения при кристаллизации также быстро измельчаются. Вместе с тем, наблюдается изменение их количества и морфологии. Размер дендритной ячейки адгфазы по мере увеличения скорости охлаждения в исследованном диапазоне скоростей уменьшается с 279 до 5,5мкм при Veo .=104 град/с см. По граням крупных кристаллов происходит неравномерное распределение эвтектических соединений (Al-Si), что приводит к изменению состава в данной области. В свою очередь это искажает темпера-турно-временные закономерности процесса во время последующего нагрева. С увеличением интенсивности перемешивания усиливается эффект вырождения дендритов а-твердого раствора и уменьшается количество зерен по границам которых равномерно распределены эвтектики (Al-Si). Эвтектические соединения внутри зерен не участвуют в деформации и снижают количество активной жидкой фазы при последующих термообработках.
Проведенные опыты показали, в качестве лигатуры необходимо использовать порошки гранулометрического состава 0,1-1, мкм (до 25-35%) и 2,0-5,0 мкм (45-65%),что обеспечивает наилучшее усвоение легирующих элементов при температуре алюминиевого расплава ~750 оС.
Анализ существующих способов получения литейных алюминиевых композиционных сплавов показывает, что традиционные технологии, помимо таких недостатков, как энергоемкость, сложность и длительность, зачастую экологическая вредность, ограниченны в управлении процессом формирования структуры алюминиевых сплавов. Все эти проблемы позволяют сделать вывод о перспективности развития этого направления. В ходе выполнения научных исследований сформулированы основные требования к качеству лигатуры, разработана технология введения таблетированной лигатуры в расплав. Технология заключается в легировании расплава алюминия совместно с экструзией - выдавливание за счет создаваемого внешнего давления инертного газа. И далее в контролируемом охлаждении расплава в высокочастотном электромагнитном поле до получения в структуре 40-50 % доли жидкой фазы. Одно из главных преимуществ такого процесса отсутствие пористости в металле, что позволяет вести в последующем термообработку и получать высокий уровень механических характеристик изделий.
а б
Рисунок 3. а- образование эвтектических прослоек Al-Si; б-внедрение углерода в структуру
Список литературы:
1. Алюминиевые композиционные сплавы - сплавы будущего: Учебное пособие / Сост. А.Р.Луц, И.А. 4. Галочкина. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2013. -
82 с.
2. Семенов, Б.И. Освоение композитов - путь к новому уровню качества материалов и отливок / Б.И. Семенов // Литейное производство, 2000. - №8. - С. 5. 6-9.
3. Никитин, К.В. Теоретические и практические пред- 6. посылки развития технологий наномодифицирова-
ния сплавов на основе алюминия / К.В. Никитин // Наследственность в литейных процессах: Труды
VII междунар. науч.-техн. симпозиума. Самара: СамГТУ, 2008. - С.286-289.
Yang, Y. Study on bulk aluminum matrix nano-composite fabricated by ultrasonic dispersion of nano-sized SiC particles in molten aluminum alloy/ Yang Y., Lan J., Li X. // Material Science and Engineering. A380, 2004. - Р. 378-383.
Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов / Металлургия. М. 1979. 38-40, 564 с. Михеев, Р.С. Дискретно армированные композиционные материалы системы Al-TiC (обзор) Текст /Р.С. Михеев, Т.А. Чернышова // Заготовительные производства в машиностроении, 2008.- № 11.- С. 44-53.
К ВОПРОСУ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОМАССООБМЕНА В ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ
АППАРАТАХ ОСУШКИ ВОЗДУХА
Щедрина Галина Геннадьевна
Канд. тех. наук, доцент кафедры теплогазоводоснабжения, г.Курск
Гнездилова Ольга Александровна Канд. тех. наук, доцент кафедры теплогазоводоснабжения, г.Курск
Моржавин Александр Вячеславович
Ст. преподаватель кафедры теплогазоводоснабжения, г.Курск
В условиях интенсификации промышленного производства будут неуклонно повышаться требования к состоянию воздушной среды в производственных помещениях и атмосфере. В этих условиях особенно остро стоит вопрос о снижения энергоемкости производства. Одним из актуальных аспектов энергосбережения в промышленности является задача очистки промышленных (в том числе и вентиляционных) выбросов и одновременного использования их теплоты в системах утилизации.
Широко известные способы снижения влагосодер-жания воздуха применимы при незначительных диапазонах температур и влажности, характерных для выбросов систем общеобменной вентиляции. Использование тех же методов осушки воздуха для промышленных выбросов с температурой 40-80 оС и влагосодержанием до 300 г/кг не приводит к желаемому результату или требует значительных капитальных затрат. Поэтому изыскание эффективного и оптимального варианта по степени осушки воздуха и экономичности представляет актуальную задачу.
Для дальнейшего повышения эффективности теп-ломассообменных устройств необходимо разрабатывать конструкции, обеспечивающие как энергосберегающие процессы очистки вентиляционных выбросов, так и нор-мировано-качественные показатели осушки воздуха
В настоящее время известны два способа решения этой задачи: снижение толщины пограничного слоя, насыщенного капле- и парообразными загрязнениями воздуха за счет турбулизации потока вентиляционных выбросов в месте его контакта с пластинами, покрытыми пленкой из абсорбирующего вещества и сокращения периодичности абсорбционно-десорбционных процессов тепломассооб-менного аппарата.
Турбулизация потока позволяет повысить интенсивность тепломассообмена в 1,2-1,4 раза за счет увеличения коэффициента теплоотдачи по сравнению с ламинарным движением в поперечном слое в 2-2,5 раза. Сокращение времени регенерации абсорбирующего материала, являющееся основой второго способа, значительно снижает энергоемкость абсорбционно-десорбционного
