Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

Анисимов Олег Владимирович

Технология получения композиционных материалов на основе алюминия, упрочненных дисперсными наночастицами ZrO2 и SiC в поле центробежных сил центрифуги

Специальность:

05.16.09 . Материаловедение в машиностроении (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном техническом университете МАМИ

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Еремеева Жанна Владимировна

Официальные оппоненты:

Панов Владимир Сергеевич	доктор технических наук, профессор НИТУ МИСиС, профессор
Иванов Сергей Алексеевич	кандидат  технических наук, доцент Новочеркасская государственная мелиоративная академия, доцент

Ведущая организация: - ФГУП Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина

Защита состоится 13 декабря  2012 г. в 14  часов 15 минут на заседании диссертационного совета Д 212.129.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московский государственный индустриальный университет по адресу:  115280, Москва, ул. Автозаводская, д. 16 ауд. 1804

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГИУ

Автореферат разослан 12 ноября 2012 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.129.01

кандидат технических наук, доцент  Иванов Юрий  Сергеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время при создании ряда изделий и узлов в машиностроении, судостроении, авиационной и ракетно - космической техники находят широкое применение высокопрочные и легкие композиционные материалы (КМ). В качестве наполнителей матриц КМ применяют стекловолокно асбестовые, углеродные, джутовые, керамические и другие волокна.

Для достижения нужного измельчения зерна в отливках разработаны и широко применяются ряд способов и подходов. Известны способы, когда для формирования мелкозернистой структуры расплав активируется различными более тугоплавкими примесями, частицы которых служат центрами кристаллизации.

Известно много способов воздействия на структуру и состав материала. Одним из таких способов является воздействие центробежного поля и поля ультразвука, создание которых не представляет технической трудности.

Центробежное литье обычно осуществляют при оборотах формы в пределах - 300 - 1200 об/мин, что, на разных диаметрах, создает центробежное ускорение в пределах 2 - 10 g. При этой технологи рекомендуют поддерживать минимально возможное число оборотов. Примерно до значения 10g располагается область традиционной технологии центробежного литья. Новые эффекты начинаются после существенного увеличения центробежного ускорения. Воздействие центробежной силы коренным образом изменяет протекание всех физико-химических процессов в отливке.

В частности меняется характер кристаллизации. Принципиально новым и важным моментом является то, что при достаточном большом числе оборотов изложницы возникают эффекты, приводящие к началу интенсивного образования твердой фазы еще до того, как расплав успеет сколько-нибудь существенно понизить свою среднюю температуру.

Наложение давления в процессе кристаллизации снижает энергию межфазного взаимодействия (поверхностное натяжение) на границе расплав - кристалл, следовательно, и размер критического зародыша. Кроме того, приложением давления можно добиться появления смачиваемости между различными фазами, если оно отсутствовало в обычных условиях.

Из работы школы академика Образцова следовал теоретический вывод, что наноразмерные упрочняющие добавки в области малых концентраций позволяют значительно увеличить прочностные, упругие и эксплуатационные свойства различных сплавов. В этих работах вопросы повышения прочностных свойств решались в рамках теории межфазного слоя. Эта теория построена как градиентная континуальная теория сред, учитывающая масштабные эффекты когезионного и адгезионного типа. Именно эти эффекты приводят к формированию межфазных зон. Концентрация межфазных зон определяет нелинейные зависимости свойств получаемых материалов.

Цель и задачи исследования. Целью работы являлось изучение возможностей получения композиционных материалов на основе алюминия с повышенными эксплуатационными и механическими свойствами путем использования поля центробежных сил центрифуги при введении в расплав наноразмерных упрочняющих добавок.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Выбор и обоснование применения  наноразмерных упрочняющих частиц.

2. Исследование особенностей влияния центробежных сил центрифуги на процесс кристаллизации композиционного материала.

3. Исследование процессов получения смесей исходных материалов и процесса статического холодного прессования, с учетом особенностей применения наноразмерных упрочняющих добавок для проведения нанолегирования расплава.

4. Изучение механизма структурообразования композиционных материалов на основе алюминия полученных в поле центробежных сил центрифуги при введении наноразмерных упрочняющих добавок.

5. Разработка рекомендации по промышленной реализации результатов исследований.

Научная новизна

1. Впервые установлена зависимость величины зерна отливок композиционного материала в полях центробежных сил центрифуги от коэффициента гравитации.

2. Показана целесообразность введения наноразмерных добавок ZrO2 и SiC в композиционные материалы на основе алюминия в количестве 0,05-0,5 масс.% и 0,01-0,5 масс.%  т.к. их введение  увеличивает прочность в 1,5-2 раза и износостойкость в 2 раза.

3. Впервые установлено, что упрочняющие нанодобавки находятся внутри зерна композиционного материала при введении наноразмерных ZrO2и SiC и изменение состава и характера распределения фаз.

4. Установлено повышение механических и трибологических свойства полученных в полях центробежных сил центрифуги композиционных материалов на основе алюминия.

Практическая значимость:

1. Разработана установка кристаллизации композиционных материалов на основе алюминия в поле центрифуги

2. Оптимизированы технологические режимы воздействия поля центробежных сил центрифуги на кинетику процесса кристаллизации расплава, в результате чего получены изделия с оптимальным сочетанием прочности и пластичности.

3. Разработаны технологические схемы получения композиционных материалов на основе алюминия при введении в исходную шихту наноразмерных добавок ZrO2 и SiC.

Степень достоверности результатов гарантирована использованием современных методов и средств измерения и сочетанием взаимодополняющих исследовательских методик: рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализов, просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, количественной металлографии, химических методов анализа, физико-механических испытаний и других методов; статистической обработкой и удовлетворительным совпадением результатов моделирования и эксперимента.

Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований использованы при разработке технологии дисков 8.101.924.23.00.24. втулки 8.10.21.019.000 и кольца 8.10217.84100 в деталях тягового агрегата ОПЭ-1.8ТН.454.574 электровоза используемых на ОАО Новочеркасский электровозостроительный завод. Экономический эффект от внедрения составил 627100 рублей (в ценах 2011 г.) соответственно.

ичный вклад автора заключается в постановке задач исследований, организации и проведении экспериментальных и исследовательских работ, анализе, интерпретации и обобщении полученных результатов.

Апробация работы: Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: IV Всероссийская конференция по наноматериалам Нано 2011 в Минске Беларусь, на конференции "Порошковая металлургия: её сегодня и завтра ПМ 2012 Киев, Украина, Третьем международном научно-практическом семинаре Новые материалы и изделия из металлических порошков. Технология. Производство. Применение. (ТПП-ПМ 2011), г. Йошкар-Ола.

Публикации. По теме диссертации получено 6 патентов, опубликовано 6 печатных работ из них 3 статьи в рецензируемых журналах и изданиях из перечня ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов и приложений. Материалы диссертации изложены на 118 листах машинописного текста, содержат 48 рисунков, 8 таблиц, 7 приложений, включают список литературы из 93 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы цели и задачи работы, приведены основные результаты, выносимые на защиту, показана научная и практическая ценность работы.

В первой главе приведен аналитический обзор опубликованных работ по теме диссертации. Проанализированы основные тенденции и достигнутые результаты в производстве композиционных материалов на основе алюминия. Проанализированы и сопоставлены результаты работ отечественных и зарубежных исследователей. Показано, что постоянно возрастающие требования к качеству изделий из алюминия и его сплавов, стабильности их характеристик не могут быть удовлетворены без существенного совершенствования технологии их изготовления. Рассмотрены современные технологические приемы получения порошковых материалов с повышенным уровнем свойств.

Представлена теория активного энергетического воздействия на расплавы с целью получения новых материалов. Одними из источников энергетического воздействия является центробежное поле и поле ультразвука.

При воздействии поля центрифуги меняется характер кристаллизации. Причем принципиально новым и важным моментом является то, что при достаточном числе оборотов изложницы энергетическое воздействие центробежного поля возрастает настолько, что благодаря его объемному характеру возникают эффекты, приводящие к началу интенсивного образования твердой фазы еще до того, как расплав успеет сколько-нибудь существенно понизить свою среднюю температуру.

Анализ приведенных данных показывает, что давление может привести к существенным изменениям диаграммы состояния - сдвигу линий фазовых превращений, явлению новых фаз и фазовых областей, изменению вида диаграммы состояния. Поэтому изменением давления во время кристаллизации металлов и сплавов можно регулировать их структуру, механические и специальные свойства.

Наложение давления в процессе кристаллизации снижает энергию межфазного взаимодействия (поверхностное натяжение) на границе расплав - кристалл, следовательно, и размер критического зародыша. Кроме того, приложением давления можно добиться появления смачиваемости между различными фазами, если оно отсутствовало в обычных условиях. Приложение давления к кристаллизующемуся расплаву приводит к увеличению числа центров кристаллизации и, следовательно, к измельчению структуры, оказывая тем самым модифицирующее влияние на структуру металлов и сплавов.

Кристаллизация расплава происходит в градиентном силовом поле центрифуги распределенном по величине гравитационного коэффициента от 1 в центре изложнице и до максимального заданного значения у радиальной границе изложницы.

При уменьшении среднего размера упрочняющих частиц, увеличивается напряжение сдвига дислокации в материале. Поэтому введение наночастиц в материал в тех же количествах должно приводить к большему эффекту упрочнения по сравнению с традиционно используемыми порошками микронного и субмикронного размера.

Во второй главе представлена характеристика используемых материалов и оборудования, на котором производились исследования, а также описаны методики проведения экспериментов.

В состав материала опытных образцов входили следующие компоненты:

Порошок алюминия марки АСД-1, чистота 99,5%.

Алюминиевая проволока марки А99: содержит 99,99% Al; 0,01% примесей, главные из которых - Fe и Si. Предел прочности В=80 МПа.

Характеристика нанопорошка карбида кремния.

Состав - 95 % SiC, 5 % Si3N4.

Содержание основного компонента 98,5%

Свободного кремния <0,8%

Кислорода <0,6%

Суммарное содержание микропримесей <0,5%.

Размер частиц 10 нм (0,01 мкм).

Удельная поверхность от  10 до 15 м2/г.

- порошка карбида кремния.

Характеристика нанопорошка оксида циркония.

Состав: 2%Y2O3, ост. - ZrO2.

Размер частиц 10 - 20 нм (0,01 - 0,02 мкм), возможны агломераты размером до 100 нм (0,1 мкм).

Для введения модифицирующих частиц было решено применить брикеты, состоящие из механической смеси порошков добавки и алюминия, оптимально их соотношение, которое составляет 1:8. Приготовление шихты производилось в смесителе TURBULA T 50 A. Прессование осуществлялось на гидравлических прессах 2ПГ-125, П-250 в лабораторных пресс-формах. Пористость холоднопрессованных заготовок составляла 10%. Оптимальное давление прессование, которое составляет 1,5 - 2 т/см2

Композиционные материалы получали методом механического замешивания частиц в расплав в жидко-твёрдом состоянии. Перемешивание производят низкооборотными миксером или импеллером с насадкой для вязких веществ. Полученные слитки переплавляют  при температуре на 10 - 15 градусов выше температуры плавления исследуемого сплава  с выдержкой в течение 10 - 40 минут.

Оборудование для проведения центрифугирования представлено на рис. 1 и защищено патентом № 89527 от 10.12.2009 автор Анисимов О.В.

Рис.1. - Схема кристаллизатора

Кристаллизующийся материал при вращении испытывает переменные в радиальном направлении нагрузки в зависимости от складывающегося коэффициента гравитации. Значения коэффициентов гравитации при различных количествах оборотов в минуту центрифуги на удалении 0,1 м, 0,15 м и 0,2 м от оси вращения приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Значения коэффициентов гравитации

Коэффициент гравитации	об/мин
	1000	2000	3000	4000	5000	6000	150	300	600
К0,1	102	408	917	1631	2549	3670	2,3	9,2	36,7
К0,15	153	612	1376	2446	3823	5505	3,45	13,8	55
К0,2	204	815	1835	3262	5097	7340	4,6	18,4	73,4

Испытания установки проводились в диапазоне скоростей вращения от 1000 до 3000 об/мин.

Коэффициент гравитации рассчитывается по следующей формуле:

,                                                (1)

где F - коэффициент гравитации;

  - плотность расплава, г/см3;

V - объем материала, см3,

- угловая скорость, м/с;

R - радиус, м;

g - ускорение свободного падения, 9,8 м/с2.

Уравнение, связывающее коэффициент гравитации и давление имеет следующий вид

,                                                                (2)

где Р - давление, Па

h - глубина, м;

R(t), R(t0) - радиус внешний и внутренний, м;

n - число оборотов, об/мин.

- плотность расплава, г/см3;

- трансцендентное число, =3,14

Были получены данные по зависимости свойств готового изделия от коэффициента гравитации при проведении экспериментов на одном составе, но при различных скоростях вращения ротора центрифугальной машины.

Таким образом, экспериментальным путём был найден оптимальный коэффициент гравитации, соответствующий минимальному размеру зерна матричной фазы (1 - 1,7 мкм) и наиболее высоким свойствам получаемого металла. Он составил 550 - 600, что соответствует скорости вращения ротора в 1500 об/мин.

Рис.2. - Зависимость величины зерна отливки  сплава Ал-4 от гравитационного коэффициента

Химический состав материалов определялся на рентгеновском квантометре ARL-72000S, содержание углерода на автоматическом газоанализаторе IR-12 фирмы LECO. Металлографические исследования выполнялись на оптическом микроскопе NEOPHOT-21, METAVERT, фирмы REICHTRT. Тонкое строение структуры изучали с помощью угольных реплик на электронном микроскопе ЭВМ-100ЛМ. Микрорентгеноспектральный и фрактографический анализ проводился на растровом электронном микроскопе-микроанализаторе CAMEBAX MICRO, рентгеноструктурный - на рентгеновском дифрактометре общего назначения ДРОНЦ2,0.

Исследование химической неоднородности композиционных материалов проводили методом спектроскопии Оже-электронов на электронном спектрометре ЭСКАЛАБ-МК-2 английской фирмы Вакуум-Дженерейтос.

Микрогеометрия поверхности образцов изучалась с использованием профилографа-профилометра модели 170311 с кратностью по вертикали и горизонтали соответственно 100000 и 2000 раз и оснащенного ПЭВМ.

Для изучения механических свойств полученных материалов изготавливались образцы призматической формы размерами 70х15х3 мм. Механические характеристики определялись в соответствии с ГОСТ 1497-84 на электрогидравлической разрывной машине HUS-1010Z системы МFL в автоматическом режиме. Испытания на изгибную прочность проводились на машине УМЭ-10ТМ, на ударную вязкость - на маятниковом копре модели КМ-30А с максимальной энергией удара 294 Дж. Микротвердость и трещиностойкость исследовалась с использованием микротвердомера ПМТ-3.

Трибологические испытания функциональных поверхностей по схеме стержень - диск проводят на автоматизированной машине трения TRIBOMETER, CSM Instr., как на воздухе, так и при погружении в жидкую среду. Эти испытания также позволяют использовать модель Герца, они соответствуют международным стандартам и могут быть использованы для оценки износостойкости образца и контр-тела. Непосредственно в процессе испытаний определяют коэффициент трения трущейся пары. Контр-тело в виде шарика изготавливают из сертифицированного материала. При испытании шарик фиксируют в держателе из нержавеющей стали, который передает ему заданную нагрузку и связан сдатчиком силы трения. Важную информацию о механизме разрушения покрытия дают анализ продуктов износа, строения бороздки износа (на образце) и пятна износа (на контр-теле - шарике). Для этого применяют микроскопические наблюдения и измерения профиля бороздки износа. Строение бороздок износа (на дисках) и диаметр пятна износа (на шариках) наблюдают в оптический микроскоп AXIOVERT CA25 при увеличении х (100-500) и стереомикроскоп МБС-10 (ЛЗОС) при увеличении х (10-58). Измерения вертикального сечения бороздок износа проводят на профилометре SURFEST SJ-402 в четырех диаметрально и ортогонально противоположных областях и определяют среднее значение площади сечения и глубины бороздки.

Результаты экспериментов обрабатывались на ЭВМ, статистические расчеты осуществляли при уровне значимости q = 0,95.

В третьей главе представлены результаты исследований  влияния упрочняющих нанодобавок и технологических режимов центрифугирования на структуру и свойства композиционных материалов на основе алюминия.

Создание композиционных материалов на основе алюминия упрочненных наночастицами ZrO2 и SiC, полученных  путем направленной кристаллизации в поле центрифуги.

Введение упрочняющих частиц в расплав является важнейшей технологической задачей при получении композиционных материалов, поскольку равномерность их распределения влияет на последующие физические и технологические свойства готового материала.

Введение порошка-наполнителя в расплав можно осуществлять, используя различные методы, в том числе метод порошковой металлургии.

КМ получали путём введения предварительно спрессованных цилиндрических образцов в матричный расплав, что исключает риск попадания в расплав вредных примесей, возможный при введении легирующих добавок в виде механической смеси порошков. Таким образом, за счёт исключения воздействия примесей повышаются физические и технологические свойства готовых изделий.

В качестве матричного сплава был использован технический алюминий марки Al 99, содержащий 99,99 % Al, 0,01 % примесей Fe и Si. Для приготовления прессованных образцов применяли алюминиевую пудру ГОСТ 5494-95 и наноразмерный порошок ZrO2 с диаметром частиц 10 - 20 нм с возможными агломератами с размером до 100 нм. В данной работе было проведено исследование по определению оптимального соотношения порошков в брикете, которое составило 1:3.

Основной целью смешивания является разделение частиц добавок алюминиевым порошком, а равномерность их распределения в готовом материале в большей степени обеспечивается воздействием гравитационного поля центрифуги.

Существуют различные режимы и оборудование для смешивания. Опытным путём было определено, что при сухом смешивании наблюдается достаточно равномерное распределение частиц, но не происходит полного разрушения агломератов частиц ZrO2. В связи с этим, в данной работе было выбрано мокрое механическое смешивание в ультразвуковой ванне в изопропиловом спирте. Для обеспечения тщательного перемешивания порошков и разрушения агломератов оксида циркония, длительность процесса выбрали 5 минут. Затем смесь сушили в сушильном шкафу при температуре 60С.

Брикеты получали односторонним прессованием в стальной пресс-форме на гидравлическом прессе. Давление прессования 1,5 - 2 т/см2.

Эти таблетки вводили в расплав алюминия при температуре 710 C (перегретый на 40 - 50оС выше температуры плавления, для обеспечения полного растворения брикетов). Выдерживали в течение 10 - 15 минут для равномерного распределения упрочняющих добавок, и после удаления окисной плёнки расплав заливали в центрифугу, вращающуюся со скоростью, соответствующей максимальному гравитационному коэффициенту.

Был проведен расчет величины критического зародыша (rk) при кристаллизации алюминия в наших условиях по формуле:

,  (3)

Где :         - поверхностное натяжение расплава;

Tпл - температура плавления металла;

M - молекулярная масса;

- теплота кристаллизации (теплота плавления);

- переохлаждение расплава, при котором произошло зарождение центра кристаллизации;

- плотность металла.

Для наших условий: = 86010-3 Н/м; Tпл = 933 K;  Qпл = 22960 Дж/моль; = 5 K;  = 2,7110-6 т/м3.

В результате величина радиуса критического зародыша составила rк= 139,310-9 м, т.е. 139,3 нм.

Таким образом, размер критического зародыша на порядок превышает исходный размер наночастиц (10 - 20 нм). При воздействии силового поля центробежных сил центрифуги возникающее зерно захватывает несколько наночастиц. Зерно при этом продолжает расти практически без препятствий, поскольку концентрация наночастиц на его границах мала. К тому же процесс взаимодействия наночастиц с Al с образованием большой зоны взаимодействия вокруг наночастицы также способствует увеличению размера зерна с ростом концентрации наночастиц.

Аналогичные процессы протекают и при легировании Al частицами ZrO2 нано. Отличие заключается в том, что в этом случае вследствие большей термодинамической прочности ZrO2 по сравнению с SiC не происходит их взаимодействия с матрицей, т.к. зоны взаимодействия при изучении микроструктуры на электронном микроскопе не выявлена.

В результате проведения исследований на растяжение и изгиб образцов была установлены зависимости физико-механических свойств металломатричных композиционных материалов от содержания дисперсных частиц. Результаты полученные в процессе проведения опыта представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Механические свойства композитов на основе алюминия, армированного дисперсными частицами SiC

Армирующая добавка	Массовая доля,. %	Объёмная доля, %	Е, ГПа	растяж, МПа	изгиб, МПа	Удлинение, %
SiCнеактив	3	2,4	52,38	135,79	273,95	9,26
	5	4	50,35	139,56	307,68	9,12
	7	5,6	32,80	121,83	307,45	10,36
SiC актив	3	2,4	60,46	148,42	359,19	8,01
	5	4	55,44	130,53	301,07	8,31
	7	5,6	41,04	127,95	286,32	7,98

При определении модуля на изгиб при малых добавках наблюдается пик прочности, а затем упрочнение согласно классической теории. При этом полученные данный по модулю на изгиб значительно превышают стандартное его значение для алюминия, равное 23 - 25 ГПа.

При определении микроструктуры на шлифе по границам зерна алюминия были обнаружены включения карбида кремния. Так же металлографический анализ показал оболочку вокруг включения активированного карбида кремния, которая предположительно представляет собой зону взаимодействия частицы и матрицы. Для подтверждения этих данных была проведена сканирующая электронная микроскопия с микрорентгеноспектральным анализом рис.3.

Рис.3.- Результаты сканирующей электронной микроскопии с микрорентгеноспектральным анализом образцов с SiC

Также было обнаружено, что на всех составах размер зерен алюминия уменьшается с увеличением коэффициента гравитации, то есть по мере удаления от центра кристаллизатора.

В результате исследования микроструктуры образцов было выявлено, что размер зерна алюминия уменьшается с увеличением содержания армирующих добавок, особенно ZrO2. Наноразмерные добавки упрочняют композиционный материал по дисперсионному механизму, распределяются равномерно по объему материала и даже находятся внутри зерна. Максимальные значения предела прочности на растяжение было достигнуто при содержании наноразмерной добавки в количестве 0,5 мас.% рис.4.

Рис. 4. - Зависимость прочности на растяжение от содержания наноразмерных армирующих добавок

При определении микроструктуры на шлифе с помощью электронного микроскопа внутри зерен алюминия были обнаружены мелкие включения SiC, которые представляют собой агломераты наночастиц, также были выявлены зоны взаимодействия наночастицы и расплава, что видно из рис. 5. Было выявлено, что частицы карбида кремния взаимодействуют с алюминиевой матрицей.

Таким образом, было выявлено, что наночастицы SiC располагаются не по границам зерен, как предполагалось ранее, а находятся внутри них. Это связано с тем, что размер критического зародыша больше размера наночастиц и они не являются центрами кристаллизации, а захватываются зародышем зерна и при воздействии в процессе кристаллизации силового поля центробежных сил центрифуги остаются внутри зерна.

Рис.5. Результат фрактографического анализа  - Al + ZrO2 (0,3 %)

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований механических и трибологических свойств композиционного материала на основе алюминия полученного методом направленной кристаллизации в поле центрифуги и упрочненного наночастицами ZrO2 и SiC.

Исследования механических свойств композиционного материала на основе алюминия упрочненного нанодисперсными частицами и полученного в поле центрифуги показали, что максимальные прочностные свойства были получены при введении упрочняющих частиц при содержании 0,01-0,3 масс.%. При содержании ZrO2 в количестве 0,3 масс.% прочность на растяжении составляет 210 МПа, а при содержании SiC в количестве 1 масс. % прочность на растяжении составляет 175 МПа.

Полученные композиционные материалы упрочненные наночастицами ZrO2 и SiC превосходят по износостойкости материалы на основе алюминия, коэффициент трения уменьшается до 0,43 с 0,86. Износ контр-тела также уменьшался, при этом было отмечено меньшее налипание материала на контр-тело рис.6 и 7.

 

а. б.

а - Al - 1% SiC. Условия испытания:  V = 10 cм/c, P = 1H, материал контртела - сталь 100Cr6, r = 3 мм

б - Al - 0,5% SiC. Условия испытания: V = 5 cм/c, P = 1H, материал контртела - сталь 100Сr6,  r = 6 мм

Рис.6.  - Результаты трибологических испытаний КМ, упрочненных наночастицами SiC

а.  б.

Рис.7. Пятно износа контр-тела шарика сталь 100Сr6 а. Al - 1% SiC, б.- Al - 0,5% SiC

Жаростойкость композиционного материала на основе алюминия упрочненного нанодисперсными частицами и полученного в поле центрифуги составляет при температуре 973 К 0,012Е0,015 мг/(см2ч).

Наилучшее сочетание физических и механических свойств (ударная вязкость, прочность и износостойкость поверхности) материала достигается при введении ZrO2 в количестве 0,01-0,05 мас. % или SiC в количестве 0,05-0,1 мас. % при ускорении g=100-150. Данные свойства можно объяснить полученной мелкозернистой структуры композиционного материала на основе алюминия с равномерно распределенными по объему нанодисперсными добавками, которые также находятся и внутри зерна.

В пятой главе представлены результаты практического использования композиционного материала на основе алюминия полученного методом направленной кристаллизацией в поле центрифуги и упрочненного наночастицами ZrO2 и SiC. Разработаны технологические рекомендации изготовления дисков 8.101.924.23.00.24. втулки 8.10.21.019.000 и кольца 8.10217.84100 в деталях тягового агрегата ОПЭ-1.8ТН.454.574 электровоза ЭП-1 используемых на ОАО Новочеркасский электровозостроительный завод. Показано, что разработанная технология позволяет повысить в 3-5 раз срок эксплуатации деталей. При этом отмечено, что предложенная технология позволяет увеличить коэффициент использования материала, снизить трудоемкость обработки и повысить эксплуатационные требования к качеству и надежности получаемых деталей. Ожидаемый экономический эффект от внедрения состава составляет 627100руб. в год в ценах 2011 года.

Выводы

1. Установлена зависимость величины получаемого зерна от величины гравитационного коэффициента при кристаллизации материала в силовых полях центробежных сил центрифуги, который составляет g=100-200.
2. Предложен способ введения нанодисперсных частиц SiC и нано- ZrO2 в расплав с применением спрессованных таблеток из смеси порошков алюминия с частицами, в количестве 0,05-0,5 масс.% SiC и 0,01-0,5 масс.%  ZrO2 т.к. их введение увеличивает прочность в 1,5-2 раза и износостойкость в 2 раза.
3. Разработана конструкция кристаллизатора.
4. Проведена механоактивация порошковой шихты содержащей нанодисперсный SiС и порошок алюминия путем обработки в планетарной мельнице при коэффициенте гравитации 25g, в результате которой диаметр частицы исходного Al уменьшился с 40 мкм до 10 мкм, а удельная поверхность увеличилась от 0,05 м2/г до 0,2 м2/г, что при проведении кристаллизации материала в силовых полях центробежных сил центрифуги дает равномерное распределение SiC в объеме матрицы.
5. Установлено, что упрочняющие наночастицы частицы находятся внутри зерен, что дает более высоких эффект упрочнения материала по дисперсионному механизму, но при этом может наблюдаться некоторый рост зерна.

6. Испытания на сухое трение скольжения исследуемых композиционных материалов против контртела из закаленной стали (HRC>45) в диапазоне трибонагружения 5-10 показали, что введение армирующих частиц в матричные сплавы стабилизирует процесс трения, расширяет допустимый диапазон трибонагружения, снижает коэффициент трения и повышает износостойкость

Основное содержание диссертации представлено в следующих работах:

1. Анисимов О.В., Штанкин Ю.В., Тарарышкин В.И. Центробежные лигатуры для производства отливок из алюминиевых сплавов. Литейное производство, 2009. №8. С. 33Ц39
2. Анисимов О.В., Штанкин Ю.В. Создание металлокомпозитов на основе алюминия путем кристаллизации жидкого металла в поле центрифуг. Перспективные материалы, 2010. №2. С. 5-1
3. Анисимов О.В., Костиков В.И., Штанкин Ю.В., Лобачёва Е.В., Пузик В.И. Разработка металлокомпозитов на основе алюминия, упрочненных наночастицами тугоплавких соединений. Известия вузов. Порошковая  металлургия и функциональные покрытия, 2011, № 3, С.11-19
4. Анисимов О.Д., Костиков В.И., Лопатин В.Ю., Чебрякова Е.В., Штанкин Ю.В. Способ создания металломатричных композитов на основе алюминия, упрочненного наночастицами. IV Всероссийская конференция по наноматериалам "Нано 2011" 1 - 4 марта 2011 г. М.: ИМЕТ РАН, 2011. С. 465-467
5. Анисимов О.В., Штанкин Ю.В. Способ получения конструкционного материала из сплава на основе алюминия с содержанием магния 10 %. Патент РФ №2380453, Опубликован 27.01.2010
6. Анисимов О.В., Скалдин Н.Н., Попов А.В. Способ получения легирующих добавок для производства сплавов Патент РФ № 2296175 заявка № 2005125173 приоритет 09.08 2005 зарегистрировано в Гос. реестре 27.03.2007
7. Анисимов О.В. Способ получения добавок и лигатур для производства сплавов Патент РФ № 2395610  заявка № 2008129154 приоритет 17.07. 2008 зарегистрировано в Гос. реестре 27.07.2010
8. Анисимов О.В., Штанкин Ю.В. Кристаллизатор Патент РФ № 107984  заявка № 2011110102 приоритет 10.03. 2011 зарегистрировано в Гос. реестре 10.09.2011
9. Анисимов О.В., Штанкин Ю.В. Способ очистки алюминиевых сплавов Патент РФ № 2415733  заявка № 2009145814 приоритет 11.12. 2009 зарегистрировано в Гос. реестре 10.04.2011
10. Anisimov O.V., Shtankin Yu.V. Method for making castings by directed solidification from a selected point of melt toward casting periphery Patent US № US7,987,897 B202.08.2011

Анисимов Олег Владимирович

Технология получения композиционных материалов на основе алюминия, упрочненных дисперсными наночастицами ZrO2 и SiC в поле центробежных сил центрифуги

АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печ. 00.00.2012 г.

Формат бумаги 60х84/16

Объем 1 п.л.______ Уч.-изд. л.___ Тираж 100 экз. Зак. №_____

Типография НИТУ МИСиС, г. Москва, Ленинский проспект д.4

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям