Разработка и применение дисперсно упрочненных алюмоматричных композиционных материалов в машиностроении

На правах рукописи

1. Курганова Юлия Анатольевна

Разработка и применение дисперсно упрочненных алюмоматричных композиционных материалов в МАШИНОСТРОЕНИИ

Специальность 05.16.06 –

Порошковая металлургия и композиционные материалы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва - 2008

Научный консультант доктор технических наук, профессор Чернышова Татьяна Александровна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, член корреспондент РАН

Баринов Cергей Миронович

доктор технических наук, профессор Герасимов Сергей Алексеевич

доктор технических наук, профессор Ушаков Борис Константинович

Ведущая организация: ОАО «Композит» г. Королев, Московская область

Защита состоится 19 ноября 2008 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 002.060.02 при Институте металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова Российской Академии наук по адресу:119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинский проспект, 49, ИМЕТ, большой конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН.

Автореферат разослан « ____ » ________ 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

профессор, д.т.н. А.Е Шелест

Актуальность проблемы. В современных условиях развития промышленного производства России остро стоит проблема улучшения качества продукции и повышения потребительского спроса. Причиной выхода из строя 70% механизмов и машин является износ подвижных сопряжений и рабочих органов под влиянием сил трения. Процессы, протекающие в трибосопряжениях, лимитируют срок эксплуатации изделий. Номенклатура традиционно используемых в условиях трения материалов часто оказывается недостаточной для обеспечения комплекса многочисленных и часто противоречивых требований. Рынок заставляет производителей решать задачи улучшения прочностных и эксплуатационных характеристик трибосопряжений при минимальных финансовых вложениях, т.е. проводить активный поиск новых износостойких и дешевых материалов и экономичных методов их изготовления.

Современными исследованиями в области трения и изнашивания, в частности, в работах А.В.Чичинадзе, Н.А.Буше, В.В.Копытько, Л.М.Рыбаковой, Б.М.Асташкевича и др. показано, что материалы для трибосистем должны обеспечивать условия динамического равновесия, т.е. с одной стороны, согласно трибологическому подходу, должны быть совместными и обнаруживать структурную приспосабливаемость; с другой - согласно макрогеометрическому подходу - надежная работа трибосопряжений не возможна без стабильности макрогеометрических характеристик соответствующих деталей.

Перспективным направлением решения проблем, связанных с повышением износостойкости, является применение в трибосопряжениях композиционных материалов (КМ), что требует развития и освоения технологий их получения, а также методов обеспечения оптимального комплекса механических и технологических свойств для разнообразных условий эксплуатации.

В настоящее время во всем мире активизируются исследования, направленные на разработку и более широкое практическое применение металломатричных КМ. Наиболее дешевыми и надежными являются композиты на основе алюминиевых сплавов, армированных тугоплавкими, высокопрочными, высокомодульными частицам. Среди отличительных свойств таких КМ можно выделить широкие функциональные и технологические возможности, повышенную износостойкость, высокие прочность, жесткость и вязкость, малую плотность, что обеспечивает снижение массы изделий с одновременным повышением надежности и увеличением ресурса работы.

Однако, несмотря на все преимущества, до настоящего времени отсутствуют рекомендации по разработке технологических процессов производства изделий из дисперсно упрочненных алюмоматричных КМ для заданных конкретных условий эксплуатации при обеспечении оптимального комплекса механических и эксплуатационных свойств. Не определены номенклатура трибосопряжений и условия их работы, при которых проявляются преимущества КМ перед традиционными материалами. Не выявлены факторы, способствующие формированию потребительских свойств изделий из КМ.

Таким образом, разработка научно-обоснованных технологических и технических решений в области производства литых дисперсно упрочненных изотропных КМ и их промышленного применения представляют собой актуальную задачу.

Работа выполнена в рамках Программ фундаментальных исследований Президиума РАН в 2004-2008 гг, гранта РФФИ 05-03-32217 и гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых – кандидатов наук - МК-3265.2006.8.

Целью настоящего исследования явилась разработка технологий, обеспечивающих создание КМ триботехнического назначения с заданным уровнем свойств для удовлетворения потребительских запросов; опробование дискретно армированных КМ с алюминиевыми матрицами в реальных трибосопряжениях, оптимизация на базе экспериментальных данных и стендовых испытаний структуры, свойств и методов изготовления КМ триботехнического назначения.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Анализ структуры, механических и технологических свойств дисперсно-упрочненных КМ на основе алюминиевых сплавов с целью изготовления деталей триботехнического назначения.
2. Оценка влияния условий трибологического нагружения (усилий, скорости скольжения, наличия смазки и др.) на трение и износ КМ.
3. Разработка высокоэффективных технологических процессов для изготовления композиций заданного кода армирования с требуемыми свойствами, в том числе биметаллических композиций КМ/сталь.
4. Исследование возможностей получения наноструктурированных КМ при интенсивной пластической деформации или при комбинировании различных методов изготовления и обработки КМ.
5. Опробование КМ «алюминиевые сплавы – дисперсные армирующие частицы» в трибосопряжениях лабораторных установок, при проведении стендовых испытаний и в реальных узлах механизмов и машин.
6. Уточнение номенклатуры изделий триботехнического назначения, где целесообразна замена традиционных материалов на КМ.
7. Выявление общих закономерностей поведения дисперсно армированных КМ при эксплуатации в узлах подвижных сопряжений. Корректировка составов КМ для изделий триботехнического назначения.

Научная новизна:

- Осуществлен научный поиск новых материалов, нацеленный на достижение технического результата – повышения работоспособности узлов трения-скольжения.

- Впервые обоснована теоретически и экспериментально подтверждена возможность применения литых композиционных материалов системы алюминиевые сплавы - частицы керамики в узлах трения механизмов и машин в паре со сталью в условиях трения скольжения без смазки, с ограниченной смазкой и в паре КМ-КМ при трении скольжения со смазкой.

- Выявлены закономерности влияния структурных факторов и условий работы трибосопряжения на процессы трения и износа КМ состава «алюминиевые сплавы – частицы карбида кремния». Показано, что пара КМ-сталь имеет преимущества перед парой бронза-сталь по значениям износа, выдерживаемой нагрузке, стабильности коэффициента трения в рабочем режиме, а также устойчивости значений последнего при возрастании нагрузки. Увеличение размера и объемного содержания частиц в матрице снижает износ деталей из КМ, однако увеличивает износ сопряженного контртела и коэффициент трения. Показана необходимость оптимизации размера и объемного содержания частиц в КМ по условиям эксплуатации. Установлено, что лучшую износостойкость имеют КМ с матрицей из высокопрочных алюминиевых сплавов. Проведение термообработки на старение КМ на базе дисперсионно твердеющих алюминиевых матриц увеличивает износостойкость КМ. Добавка в КМ системы А1-SiC частиц графита, выполняющего роль сухой смазки, обеспечивает повышение износостойкости и расширяет диапазон трибонагружения.

• Показаны возможности повышения износостойкости деталей из КМ за счет пластического деформирования и термомеханической обработки, а также за счет использования специальных видов литья (центробежное).
• Расширены представления о процессе изнашивания КМ в паре со сталью и сформулированы условия оптимальной работоспособности узла трения, в состав которого входит КМ.
• Показана целесообразность замены алюмоматричными дисперсно наполненными КМ традиционных антифрикционных материалов (бронз, латуней, алюминиевых антифрикционных сплавов) в ряде ответственных узлов машиностроения.
• Оптимизированы технология изготовления и материалы пар трения, в которых предполагается применение КМ.
• Намечены узлы из номенклатуры деталей машиностроения и транспорта, в которых целесообразна замена традиционных материалов на КМ.

Практическая значимость:

На основе экспериментально полученной информации и выявленных закономерностей при испытаниях на трение и износ определены оптимальные условия получения КМ с максимальными значениями триботехнических характеристик. Результаты научных исследований реализованы в реальных

изделиях и конструкциях. Дисперсно армированные КМ различных составов на основе алюминиевых сплавов (литейные, деформируемые упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой, твердые растворы, ковкие и высокопрочные), а также полиармированные и слоистые композиции опробованы при различных условиях трения. Полученные результаты исследований позволили разработать рекомендации по использованию КМ системы «алюминиевые сплавы - твердые частицы керамики» как в действующих узлах трения, так и в проектируемых.

Рекомендации переданы предприятиям ОАО «Утес», ООО «Нитон», ООО «Радиомир», ООО «Проект.Нэт», ООО «Симбирские коммуникации», ООО «Инфоком», ООО «Пластметпроект», ОАО «Научно-исследовательский» институт авиационной технологии и организации производства», что подтверждено соответствующими актами.

На базе ООО «Пластметпроект», г.Ульяновск, введен в эксплуатацию литейный участок по изготовлению дисперсно упрочненных КМ на основе алюминиевых сплавов. Спроектировано и изготовлено оборудование для механического легирования композиционных порошков. Получен патент на полезную модель «Устройство для механического легирования материалов на основе цветных сплавов частицами керамики» (Патент № 67902 от 10 ноября 2007 г).

Разработана технология получения таблетированных армирующих брикетов с повышенной концентрацией армирующего компонента (35-60%) и сухих смазок (графита), что открывает реальную возможность изготовления деталей из КМ на основе алюминиевых сплавов на промышленных предприятиях, располагающих мощностями для литья традиционных алюминиевых сплавов.

Спроектирована и изготовлена оснастка, подобрано оборудование для получения таблетированных армирующих брикетов. Организован участок по изготовлению армирующих брикетов (Акт пуска участка на базе лаборатории «Штамповка» кафедры «Материаловедение и ОМД» Ульяновского государственного технического университета).

Разработаны технологии изготовления деталей из КМ в условиях промышленного производства. В натурных условиях опробованы и успешно применяются детали из КМ составов АК12+5%SiС(28)+2,5%С(400), В124+8%Si3N4(3-5), АК9+4%SiC(28), А99+10%Ti+5%SiC(28), АЛ25+3,5%SiC(28), АК9+5% SiC(28)+1,25%С(400) и АК12+5% базальта в узлах: Компрессор автомобильный КПА-1, двигатель станка токарного высокой точности с числовым программным управлением типа ТПК-125ВН1, клапан управления механизмом регулирования фаз КУМРФ системы газораспределения автомобиля, синхронизатор коробки передач автомобиля, узел рейки рулевого управления автомобиля NissanQМах, дисковые ножницы раскройного комплекса ДИН-600, устройство амортизатора задней подвески. В стадии разработки находятся втулка свертная ОСТ 1.10289-78, втулки авиационного компрессора АК-50, рабочие части поршневой пары насоса ножного НВН-1, кольца двигателя внутреннего сгорания. Некоторые изделия продолжают эксплуатироваться и после испытаний. При замене традиционных материалов на КМ достигнуто увеличение срока службы, снижение веса и стоимости.

Получены неразъемные биметаллические соединения КМ (АМг1+2,5%SiC3, АМг1+5%SiC28, Д16+5%SiC28) со сталью и с алюминиевыми сплавами диффузионной сваркой и прокаткой. Биметаллические заготовки предназначаются для изготовления упорных колец, вкладышей, полувкладышей подшипников и других аналогичных изделий.

Экономическими расчетами доказана целесообразность применения КМ в составе пар трения в промышленных масштабах. Показано, что по эксплуатационным, технологическим и финансовым показателям КМ рассматриваемых систем превосходят материалы, традиционно используемые в аналогичных узлах, и могут являться их альтернативными заменителями.

Создана электронная база данных КМ на основе алюминиевых сплавов с предоставлением комплекса механических и эксплуатационных свойств. Программа может расширяться по мере накопления данных, и при достижении определенного объема экспериментальных данных будет пригодна для выстраивания эмпирических зависимостей с целью определения свойств расчетным путем.

Работа по замене традиционных материалов на КМ деталей и узлов проблемных механизмов самых разнообразных назначений, анализ их работоспособности позволили выявить основные преимущества КМ перед традиционными материалами:

- возможность целенаправленного регулирования комплекса свойств, максимально удовлетворяющих требованиям потребителя;

- возможность изготовления функционально армированных деталей, в том числе более экономичных слоистых композиций с рабочим слоем из КМ;

- обеспечение высокой надежности при эксплуатации;

- снижение веса конструкций;

- значительное уменьшение себестоимости.

Достоверность результатов и выводов диссертации обеспечена использованием современных методов исследования. Интерпретация результатов испытаний базируется на современных представлениях о структуре и свойствах гетерофазных материалов, механизмах трения и изнашивания. Теоретические положения согласуются с экспериментальными данными, в том числе с результатами исследований других авторов и подтверждены успешной реализацией разработанных методик и технологий в производстве деталей из КМ.

Методы исследований, использованные в работе:

- Методы световой микроскопии;

- Методы электронной микроскопии;

- Рентгеноспектральный, рентгенофазовый анализ;

- Методы механических и коррозионных испытаний.

Оценку технологических свойств осуществляли согласно стандартным методикам. Лабораторные испытания на трение проводили на машинах трения МИ-1М, МТУ-1, УМТ-1 и СМТ1 2070. Экспериментальные исследования проводили в исследовательских (Ульяновский государственный технический университет, ИМЕТ им. А.А.Байкова РАН, Ульяновская сельскохозяйственная академия) и заводских (ОАО «УАЗ», ОАО «УТЕС») лабораториях. Стендовые испытания проводили согласно технологическим рекомендациям и техническим условиям на изделие. Большую часть изделий подвергали натурным испытаниям; некоторые из них находятся в эксплуатации и в данное время.

Вклад соискателя. Личное участие автора выразилось в постановке задач исследований, получении основных научных результатов; проведении работ по выбору оптимального состава трибоузлов, анализу механизмов изнашивания КМ и выбору состава материала в соответствии с условиями трибонагружения; разработке технологий изготовления деталей из КМ; разработке научно обоснованных рекомендаций к использованию КМ в реальных узлах трения; уточнении номенклатуры изделий машиностроения и транспорта, где целесообразна замена традиционных материалов на КМ.

Апробация работы. По теме диссертации опубликованы 60 печатных работ, в том числе 11 статей в рекомендованных ВАК РФ журналах, 12 учебных пособий и 1 полезная модель. Общее количество публикаций диссертанта – 72 (включающих работы по материаловедению, термодинамике и методическому обеспечению учебного процесса). Основные результаты работы доложены на _35_ конференциях и совещаниях, в том числе: на Всероссийской научно-технической конференции «Технология и оборудование современного машиностроения» (г. Уфа, 1998г.), Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ - 98» (г. Москва, 1998г.), Международной конференции «Математическое моделирование физических, экономических, социальных систем и процессов» (г. Ульяновск, 1999г.), Международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации» (Кацивели, 2000г.), Международной научной конференции «Молодежь – науке будущего» (г. Набережные Челны, 2000г.), XXII Российской школе по проблемам науки и технологии (Миасс, 2002г.), Заочной молодежной научно-технической конференции «Молодежь Поволжья – науке будущего» (г. Ульяновск, 2003г.), Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения и транспорта» (г. Ульяновск, 2003г.), ХХIV и ХХVII международных конференциях «Композиционные материалы в промышленности» (г. Ялта, 2004 и 2007гг), Международной заочной научно-технической конференции «Актуальные вопросы промышленности и прикладных наук» (г. Ульяновск, 2004г.), 4 Международной научно-технической конференции «Автомобиль и техносфера» (г. Казань, 2005г.), Международной заочной молодежной научно-технической конференции ЗМНТК-2005 (г. Ульяновск, 2006г.), Всероссийском Совещании материаловедов России (г. Ульяновск, 2006г.), Международной конференции «Deformation and fracture of materials – DFM 2006» (г. Москва, 2006г.), Научно-практической конференции материаловедческих обществ России «Новые градиентные и слоистые композиты» (г. Ершово, 2006г.), Научно-технических конференциях УлГТУ 1997, 1999, 2005, 2007, 2008 гг., Второй Всероссийской конференции по наноматериалам, совместно с 4 Международным научным семинаром «Наноструктурные материалы - 2007» (г. Новосибирск, 2007г.), Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование ОМД» (г. Ульяновск, 2007г.), Международной конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения» (г. Волгоград, 2007г.), Международном симпозиуме им. А.Г.Горшкова «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» (г. Ярополец, 2007, 2008гг.).

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 243 страницах основного текста, состоит из введения и 6 глав, содержит 68 рисунков и фотографий, 43 таблицы. Список литературы включает 214 наименований. Приложения составляют 40 страниц.

Основное содержание работы