Алюмоматричные металлокомпозиты
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ......................
1. Металлокомпозиты сегодня.......................
2. Алюмоматричные металлокомпозиты.
Задачи технологии их получения.....................
3. Установка
для получения алюмоматричных расплавов
и отливок……………………………………………………………
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………
ВЫВОДЫ........................
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
..............................
Приложение……………………………………………………
АННОТАЦИЯ
В данной работе приведены краткие общие сведения о состоянии развития композиционных материалах с металлической матрицей и их применении на сегодняшний день. Рассмотрены задачи технологии получения литых алюмоматричных композитов и принципиальная схема работы установки для получения алюмоматричных расплавов и отливок .
Ключевые слова: металлокомпозит, матрица, армирующие компоненты, дисперсно-упрочняющая частица, смачивание,адгезивное взаимодействие, алюмоматричный расплав.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из направления развития современного научно-технологического прогресса является направление создания материалов с заранее заданными свойствами. Новые конструкционные материалы должны обеспечивать возрастающие требования к ним, например, по следующим показателям: по прочности, снижению массы и металлоёмкости, повышенному ресурсу надёжности, длительности эксплуатации в экстремальных условиях температурно-силового воздействия. Всему этому широкому спектру повышенных показателей удовлетворяют композиционные материалы, получившие условное математическое выражение 1+1>2. Данное математическое выражение можно прокомментировать, как соединение положительных свойств исходных компонентов с получением в результате их объединения- материала с синергетическим эффектом, превышающим суммарный эффект. Это обстоятельство обеспечило постоянно возрастающий к композиционным материалам интерес во всех ведущих индустриально развитых странах и, в частности к литым алюмоматричным композиционным материалам с дисперсно-порошковым наполнителем.
- Металлокомпозиты сегодня
Композиты представляют собой неоднородные системы, состоящие из двух или более фаз. Один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объёму, является матрицей. Второй разделенный в объёме композиции, является армирующим.
Матричными материалами могут быть металлы, сплавы, термореактивными или термопластичные полимеры, керамика или другое вещество. Армирующие компоненты - это мелкодисперсные порошки или волокнистые материалы различной природы. По виду армирующего материала композиты делятся на две основные группы: дисперсно-
упрочненные и волокнистые. Структура дисперсно-упрочненного композита представляет собой металлическую матрицу, в которой равномерно распределены мелкодисперсные частицы второго компонента.
Типы композитов можно разделить на три основные группы:
А-волокнистые; В-армированные частицами материалы; С-дисперсно-упрочненные.
Композиционные материалы с металлической матрицей (металлокомпозиты) – материалы, состоящие из металлической (Al, Mg, Ni и их сплавы) матрицы, упрочнённой высокопрочными волокнами (волокнистые материалы), или тугоплавкими тонкодисперсными частицами, не растворяющимися в металле матрицы (дисперсно-упрочнённые материалы).
Эти материалы отличаются от обычных сплавов большими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50- 100%), модуля упругости, коэффициента жёсткости и пониженной склонностью к трещинообразованию и высокой жаропрочностью.
Металлические матрицы обладают высокими реакционной способностью в жидкофазном состоянии с сопротивлением деформированию в твёрдофазном.
Композиты с металлической матрицей повышают жёсткость конструкции при одновременном снижении её металлоёмкости и как конструкционные материалы используются: в авиации - для изготовления высоконагруженных деталей (обшивки лонжеронов, панелей и др.) и двигателей (лопаток компрессоров и турбин и др.) самолетов; в автомобилестроении – для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей, бамперов и т.д., в промышленном и гражданском строительстве (пролёты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и др.) и т.д.
Металлическая матрица является основным компонентом, несущим нагрузку, и эффект упрочнения достигается за счёт торможения движения дислокаций в ней дисперсными частицами упрочняющей фазы. Прочность при этом не подчиняется закону аддитивности (получаемый путём сложения) в зависимости от объёмного содержания упрочняющих фаз. Высокая прочность достигается при размере частиц упрочняющей фазы 10...500 нм, при среднем расстоянии между ними 100…500 нм и равномерном распределении их в матрице. Оптимальное содержание частиц для обеспечения прочности и жаропрочности в различных дисперсно-упрочнённых материалах неодинаково, и обычно не превышает 5-10 об.%. [3]
Дисперсно-упрочнённые металлокомпозиты могут быть получены, как уже отмечалось выше, на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов.
Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия – алюмоматричные композиционные сплавы.
Большие перспективы имеют никелевые дисперсно-упрочненные металлокомпозиты. Наибольшей жаропрочностью обладают сплавы на основе никеля с 2…3 об.% диоксида тория (ВДУ-1) или диоксида гафния (ВДУ-2). Матрица этих сплавов – обычно γ-твёрдый раствор никеля +20% Cr, никель +15% Mo, никель + 20% Cr и Mo. Сплав ВДУ-1 при температуре 1200 0 С имеет σ100= 75 МПа и σ1000= 65 МПа. [3]
Использование в качестве упрочняющих частиц стабильных тугоплавких соединений (оксидов тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), не растворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую прочность материала до 0,9…95 Тпл. [3]
2. Алюмоматричные металлокомпозиты. Задачи технологии их получения
Современная техника нуждается в более совершенных материалах для трибопар. Растут удельные нагрузки и скорости относительного перемещения трущихся деталей, ужесточаются температурные условия эксплуатации и агрессивность сред. Весьма остро стоит вопрос о снижении энергозатрат на трение, повышении долговечности и надежности трибосопряжений . В связи с этим важное значение приобретают работы по созданию принципиально новых антифрикционных материалов
с гетерофазной структурой, в том числе металлокомпозитов
(МКМ), в которых искусственно объединены высокопластичные матрицы, например из сплавов алюминия, и тугоплавкие высокопрочные, высокомодульные наполнители. При таком сочетании фаз достигаются значительное повышение несущей способности подшипниковых материалов и расширение температурных интервалов работы, высокая
износостойкость и задиростойкость в условиях сухого трения
скольжения , стойкость против абразивного изнашивания [5]. Преимуществами алюминиевых сплавов в качестве матриц МКМ
являются высокие показатели теплопроводности,
теплоемкости, высокие технологические свойства, в том числе
возможность варьирования механических свойств и
износостойкости за счет выбора систем легирования и режимов
термических и термомеханических обработок, литейные свойства, обрабатываемость резанием и, наконец, совместимость с дискретными наполнителями. Введение в алюминиевые сплавы армирующих частиц микронных размеров с резко отличной от матрицы твердостью не только
повышает износостойкость сплавов, но вследствие возросшей гетерогенности может расширить область существования во фрикционном контакте так называемых вторичных структур, обеспечивающих нормальное протекание процесса трения в широком диапазоне параметров нагружения .
В настоящей работе рассмотрены некоторые дисперсно армированные алюмоматричные МКМ антифрикционного назначения, способы их производства, результаты трибологических испытаний в условиях сухого трения.
Дискретными наполнителями для МКМ с матрицами из сплавов алюминия служат нитевидные кристаллы (НК), короткие волокна и частицы из высокопрочных, высокомодульных тугоплавких веществ с высокой энергией межатомной связи графита, бора, тугоплавких металлов, карбидов, нитридов,
боридов, оксидов. Известны различные способы совмещения алюминиевых
матриц с дисперсной упрочняющей фазой: твердофазное или
жидкотвердофазное компактирование порошковых смесей, литейные технологии пропитки пористых каркасов из порошков или механического замешивания наполнителей в расплавы; газотермическое напыление композиционных смесей. Из перечисленных способов производства МКМ наиболее технологичным и дешевым является литейный с механическим замешиванием наполнителя в матричный расплав. Качество получаемых при этом МКМ (распределение армирующего наполнителя, уровень межфазной связи, наличие продуктов взаимодействия и пр.) зависит от смачивания на-
полнителя матричным расплавом, условий замешивания и последующей обработки. Смачивание обеспечивает непрерывный физический контакт между фазами, необходимый для достижения прочных адгезионных связей. Для улучшения смачивания на частицы наносят технологические покрытия методами химического или газофазного осаждения или модифицируют матрицу поверхностно-активными добавками (Mg, Ca, Li, Na). Технологически значимыми параметрами являются конструкция установки для замешивания; режимы замешивания и затвердевания; режимы последующих термических или термомеханических обработок. В результате совмещения матричных сплавов с армирующими наполнителями по поверхностям раздела возникает межфазная связь - механическая или химическая. Наиболее прочная химическая связь устанавливается при развитии между компонентами МКМ межфазных реакций и образовании новых химических продуктов – карбидных, оксидных, боридных и
интерметаллидных фаз . В большинстве случаев эти продукты являются хрупкими и снижают пластичность МКМ. Микроструктурный анализ литых МКМ выявляет удовлетворительное распределение частиц в матрицах,
имеющих ячеистую или ячеисто-дендритную структуру. Поры,
несплошности в матрице и на межфазных границах отсутствуют. Общим для кристаллизации композиций А1-С, А1-SiC, Al-Al2O3 является то, что первичные кристаллы α- алюминия образуются не на поверхности частиц, а в матричном расплаве, что обусловлено плохой смачиваемостью и теплофизическими характеристиками наполнителей. В МКМ с матрицей из алюминиевых сплавов, содержащих частицы металлоподобных карбидов TiC, ZrC, зарождение дендритов α- алюминия происходит на поверхности частиц [6]. То же наблюдается и в случаях, когда матричный расплав легирован элементами, образующими при кристаллизации тугоплавкие
интерметаллидные фазы. Введение в расплавы керамических наполнителей способствует уменьшению дендритного параметра. Одной из причин этого уменьшения может быть эффект ограничения кристаллизующихся объемов. Частицы металлоподобных карбидов и интерметаллидов оказывают
модифицирующее влияние на литую структуру МКМ, так как характеризуются меньшим несоответствием решеток, высоким химическим сродством к матрице и более высокой теплопроводностью. Уровень механических свойств МКМ зависит от механических свойств исходных компонентов, фракционного состава и распределения частиц в матрице, прочности связи между матрицей и наполнителем; характера последующей обработки. В общем случае модуль упругости и твердость МКМ выше, а
прочность при растяжении и пластичность МКМ ниже, чем у матричных сплавов. Последнее обусловлено преимущественным зарождением трещин на поверхностях раздела или в участках скопления наполнителей.
Влияние термической обработки на свойства МКМ определяются в первую очередь составом матрицы. Если матрица является термически упрочняемым сплавом, то обработка по режиму дисперсионного твердения (закалка +
старение) приводит к повышению прочности КМ, причем абсолютный прирост прочности в присутствии армирующих частиц оказывается меньшим, чем при старении матричного сплава.
Технологически получение изделий из алюмоматричных композиционных расплавов в производстве ставят ряд задач, решение которых должно обеспечить расширение их применения, к ним можно отнести:
-обеспечение получения стабильных физико-механических и эксплуатационных свойств;
-обеспечение получения
изделий со стабильными
Анализ развития технологий использования алюмоматричных композиционных расплавов показывает, что наиболее динамично развиваются и внедряются жидкофазные технологии. Совмещение материала металлических матриц с армирующими наполнителями
принадлежит к процессам высокотемпературной смачиваемости, адгезии и их взаимодействия. Важна также проблема комкования (агломерации) дисперсного наполнителя при его транспортировке к матричному материалу и равномерному распределении в нём.
Известны различные способы жидкофазного совмещения матричных расплавов с дисперсными наполнителями, например: пропитка расплавами (самопроизвольная, вакууме, под давлением и их различные сочетания); механическое замешивание дискретных частиц или волокон в металлические матричные расплавы и др.
Для повышения эффективности смачивания наполнителя матричным расплавом на наполнитель (дискретные частицы) наносят различные покрытия путём химического или газофазного осаждения или модифицирования матричных расплавов поверхностно активными веществами – добавками (Mg, Ca, Na и др.). Однако механическое замешивание имеет ряд недостатков: сильное газонасыщение и окисление матричного расплава в процессе их активного механического перемешивания и, как следствие, недостаточное качество адгезионных связей по поверхности раздела «частица - матричный расплав».
Измельчение структуры матричного расплава, повышение плотности, обеспечение более равномерного или заданного распределения армирующих частиц в объёме, усиление адгезионного взаимодействия частиц с металломатрицей можно достичь за счёт использования внешних факторов: давления, ультразвука, центробежных сил, электромагнитных полей и других известных технологических приёмов.
Из известных на сегодня способов производства литых алюмоматричных композиционных расплавов наиболее технологичным и главное экономически доступным является литейный с механическим замешиванием дисперсного наполнителя в матричный расплав способ, который был использован при разработке варианта модернизированного
технологического оборудования (см.Приложение), описание которого и чертежи представлены ниже.
3. Установка для получения алюмоматричных расплавов и отливок
Установка для получения алюмоматричных композиционных расплавов и отливок (см. Приложение) из них включает тигель с нагревательной печью, приводной вертикальный вал с импеллером – лопастным винтом на конце, выполненный из титана с азотируемой поверхностью, дозатор дисперсного материала-наполнителя и транспортный трубопровод для подачи дисперсного материала-наполнителя транспортируемым газом, отличается тем, что в транспортируемом трубопроводе коаксиально размещён приводной вертикальный вал лопастного винта, причём на внешней поверхности приводного вертикального вала по всей его длине выполнен винтовой шнек, который совместно с транспортирующим газом осуществляет подачу дисперсного материала-наполнителя в тигель с алюмоматричным расплавом, а тигель снабжён ограничительной крышкой для вращаемого алюмоматричного расплава.
Установка снабжена герметичной камерой для заливаемых литейных форм, размещенной под нагреваемой печью, а в донной части тигля выполнен шиберный затвор и расположен трубопровод подачи расплава в литейную форму.
Установка отличается тем, что глубина погружения лопастного винта в алюмоматричный расплав составляет не менее 0,75 высоты расплава в тигле. [5]
Установка отличается тем, что нижний торец трубопровода подачи дисперсного материала-наполнителя в среде транспортируемого газа из дозатора расположен на расстоянии не менее 20 мм от горизонтальной плоскости вращения импеллера. [5]
Достигаемый технический результат заключается в повышении равномерности распределения дисперсных материалов-наполнителей в алюмоматричном расплаве за счёт сочетания механического перемешивания алюмоматричного расплава лопастным винтом, продувкой в среде транспортируемого газа через толщу алюмоматричного материала и предотвращения окомкования дисперсного материала-наполнителя с помощью транспортируемого шнека на приводном вертикальном валу с лопастным винтом, пульсацией транспортируемого газа и/или реверсированием вращения лопастного винта.
Работа установки. В тигель 5 размещённый в нагревательной печи 11 загружают в твёрдом виде или заливают алюмоматричный расплав. Лопастный винт 3, закрепленный на вертикальном приводном валу 13, погружают в алюмоматричный расплав и придают ему вращения от привода 8. Одновременно из бункера-дозатора 6 через транспортируемый трубопровод 9, охватывающий приводной вертикальный вал 13 со шнеком на наружной поверхности (на чертежах не показан) и с помощью транспортируемого газа (азот, аргон и др.) подают дисперсный материал-наполнитель. За счёт барботажа транспортируемого газа и вращения лопастного винта 3 частицы дисперсного материала-наполнителя распределяются в алюмоматричном расплава равномерно.
Кроме того, этому способствует предотвращение самопроизвольного комкования (агломерации) дисперсного материала-наполнителя, что снижает его сыпучесть, за счёт шнека на приводном вертикальном валу 13 в сочетании с пульсацией транспортируемого газа и возможностью реверсного вращения лопастного винта 3. Координаты конца трубопровода 9 подводящего дисперсный материал-наполнитель обеспечивают его оптимальный режим раздробления и разгона.
Газовые пузырьки транспортирующего газа барботируют в алюмоматричном расплаве и под действием центробежных сил выталкиваются на свободную поверхность параболоида вращения, за счёт чего происходит рафинирование алюмоматричного расплава от газовых
включений и равномерное распределение дисперсного материала-напонителя в алюмоматричном расплаве.
Предлагаемая установка (Приложение) позволяет осуществлять получения композиционных алюмоматричных расплавов и при применении нанодсиперсных материалов наполнителей. [4]
После завершения технологического цикла приготовления композиционных алюмоматричных расплавов, прекращают подачу дисперсного материала-наполнителя, но не прекращают некоторое время (5-7 секунд) подачу транспортируемого газа. Далее производят его (расплава) разливку, открыв в донной части тигля 5 шиберный затвор 2, расплав подают через сливной металлопровод 1 в литейную форму (на чертежах не показана) расположенную в камере 12. [5]
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенный в данной работе инновационный анализ развития литых металлокомпозитов показывает, что технологические возможности получения литых алюминиевых сплавов традиционными технологиями сплавления компонентов, обработки их в жидком состоянии модифицированием, термовременной обработкой и внешними физическими воздействиями и последующее затвердевание в процессе формообразования отливок в значительной степени исчерпаны. Поэтому технологический принцип композиционных материалов, получивший у специалистов «условное» математическое обозначение в виде 1+1>2, которое объясняется как увеличение их (композитов) положительных физических свойств исходных компонентов, обеспечивает композиционным материалам достижение синергетического эффекта, превышающего суммарный эффект – является решающим в дальнейшем совершенствовании механических свойств литых материалов на алюминиевой основе.
Подтверждением этого служит тот факт, что на современном этапе композиты с металлической матрицей особенно на основе алюминия – алюмоматричные композиты получают все большее практическое применение.
Также считается, что одним из перспективных направлений в ближайшее время развития алюмоматричных композиционных материалов является направление, использующее нанодискретные армируемые материалы.
Установка для получения алюмоматричных композиционных расплавов
Заявка РФ № 2012110096
Разработчики: Алимова О.Т., Гришанова М.С. и Минаев А.А.
Фиг. 1 – общий вид установки;
Фиг.2 – сечение по А-А на фиг.1.
Установка включает следующие конструктивные элементы: сливной металлопровод 1, шиберный затвор 2, лопастный винт 3, нагревательные элементы 4, тигель 5 для алюмоматричного расплава, бункер-дозатор 6 для дисперсного материала-наполнителя, механизм передачи 7, привод 8, трубопровод 9 для подачи транспортируемым газом дисперсного материала-наполнителя, ограничительная крышка 10 для вращаемого
алюмоматричного расплава, нагревательная печь 11, камера (герметичная) 12 для размещения заливаемых литейных форм (на чертежах не показана) и приводной вертикальный вал 13 с возможностью реверсивного вращения лопастного винта 3.
В тигель 5 размещённый в нагревательной печи 11 загружают в твёрдом виде или заливают алюмоматричный расплав. Лопастный винт 3, закрепленный на вертикальном приводном валу 13, погружают в алюмоматричный расплав и придают ему вращения от привода 8. Одновременно из бункера-дозатора 6 через транспортируемый трубопровод 9, охватывающий приводной вертикальный вал 13 со шнеком на наружной поверхности (на чертежах не показан) и с помощью транспортируемого газа (азот, аргон и др.) подают дисперсный материал-наполнитель. За счёт барботажа транспортируемого газа и вращения лопастного винта 3 частицы дисперсного материала-наполнителя распределяются в алюмоматричном расплава равномерно. Кроме того, этому способствует предотвращение самопроизвольного комкования (агломерации) дисперсного материала-наполнителя, что снижает его сыпучесть, за счёт шнека на приводном вертикальном валу 13 в сочетании с пульсацией транспортируемого газа и возможностью реверсного вращения лопастного винта
3. Координаты конца трубопровода 9 подводящего дисперсный материал-наполнитель обеспечивают его оптимальный режим раздробления и разгона.
Газовые пузырьки транспортирующего газа барботируют в алюмоматричном расплаве и под действием центробежных сил выталкиваются на свободную поверхность параболоида вращения, за счёт чего происходит рафинирование алюмоматричного расплава от газовых включений и равномерное распределение дисперсного материала-напонителя в алюмоматричном расплаве.
Предлагаемая установка позволяет осуществлять получения композиционных алюмоматричных расплавов и при применении нанодсиперсных материалов наполнителей. [4]
После завершения технологического цикла приготовления композиционных алюмоматричных расплавов, прекращают подачу дисперсного материала-наполнителя, но не прекращают некоторое время (5-7 секунд) подачу транспортируемого газа. Далее производят его (расплава) разливку, открыв в донной части тигля 5 шиберный затвор 2, расплав подают через сливной металлопровод 1 в литейную форму (на чертежах не показана) расположенную в камере 12. [5]
В заключении отметим, что проведённый краткий анализ современного состояния и перспектив развития литых дискретно-армированных алюмоматричных композиционных материалов позволяет сделать следующие выводы:
1. Технологические возможности получения литых алюминиевых сплавов
Традиционными технологиями сплавления компонентов, обработки их в жидком состоянии модифицированием, термовременной обработкой и внешними физическими воздействиями и последующее затвердевание в процессе формообразования отливок в значительной степени
исчерпаны.
2. Композиционные материалы, получившие у специалистов «условное»
математическое обозначение в виде 1+1>2, которое объясняется как увеличение их (композитов) положительных физических свойств исходных компонентов, обеспечивает композиционным материалам достижение синергетического эффекта, превышающего суммарный эффект.
3. На современном этапе практическое применение получили композиты с
Металлической матрицей особенно на основе алюминия – алюмоматричные композиты.
4. Одним из перспективных направлений в ближайшее время развития
Алюмоматричных композиционных материалов является направление, использующее нанодискретные армируемые материалы.
ВЫВОДЫ
- Анализ развития технологий использования алюмоматричных композиционных расплавов показывает, что наиболее динамично развиваются и внедряются жидкофазные технологии.
- Производство алюмоматричных сплавов наиболее технологично и экономично так, так позволяет использовать сырье наиболее эффективно до 90-95% .
- Предлагаемая установка для получения алюмоматричных расплавов и отливок эффективно решает проблему комкования дисперсного наполнителя при его транспортировки к матричному материалу и равномерному распределению в нем.
Список использованной литературы
1. Косников Г.А. и др. (СПбГПУ) О перспективах разработки литейных наноструктурных композиционных алюмоматричных сплавов. Доклад на Х съезде литейщиков РФ, Казань, 2011 год, с. 187-195
2. Панфилов
А.В. Современное состояние и
3. Ржевская С.В. Материаловедение. Учебн. Для вузов,-4-е изд., перераб. и доп.М.: Университетская книга. Логос.-424 с., С. 69, 225, 232-234
4. Волков Г.М. Объёмные наноматериалы: учебное пособие – М.: КНОРУС, 2011. – 168 с., С. 140-150
5. Алимова О.Т., Гришанова М.С. и Минаев А.А. Заявка РФ № 2012110096 на «Установку для получения алюмоматричных композиционных расплавов…», 2012 года.
6. Чернышова ТА., Кобелева Л.И., Шебо П., Панфилов А.В.
Взаимодействие металлических расплавов с армирующими
наполнителями. - М.: Наука, 1993.- 272 с.
- Алюмоорганические соединения и синтезы на их основе
- Аляксандр Іванавіч Гучков
- Аляксандр Пятровіч Чарнавус
- Аляксей Ануфрыевіч Дудараў
- Амазонки - мифы и реальность
- Амазон тотылары
- Амалдық күшиткіштер
- Алюминий и его сплавы
- Алюминий и его сплавы, особенности получения отливок
- Алюминий қорытпаларының жұмысы
- Алюминийорганические соединения и синтезы на их основе
- Алюминий: получение, свойства, применение, сплавы
- Алюминий, резины и шумоизоляционные материалы в автомобилестроении
- Алюминий - ХХ ғасыр элементі
