На правах рукописи

Михеев Роман Сергеевич

РАЗРАБОТКА ИЗНОСОСТОЙКИХ ДИСПЕРСНО-НАПОЛНЕННЫХ

КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ ИЗ НИХ

Специальность 05.16.06

“Порошковая металлургия и композиционные материалы”

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2010

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Чернышова Татьяна Александровна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Шиганов Игорь Николаевич доктор технических наук, профессор Кудинов Владимир Владимирович Ведущее предприятие: ОАО «Всероссийский институт легких сплавов»

(ВИЛС)

Защита состоится 31 марта 2010 года в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.060.02 при Учреждении Российской академии наук Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, д. 49, ГСП-1.

Ваш отзыв на автореферат в 1 экз., заверенный печатью, просим высылать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН

Автореферат разослан февраля 2010 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, А.Е. Шелест профессор

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Развитие современной техники требует поиска и создания новых конструкционных и функциональных материалов. Новым классом таких материалов, обладающих комплексом эксплуатационных свойств, который не может быть достигнут на базе традиционных материалов, являются композиционные материалы (КМ).

В настоящее время в промышленности применяют КМ на основе практически всех технически важных металлических материалов. Однако наибольшее распространение получили КМ на основе алюминия и его сплавов, содержащие в качестве наполнителя дисперсные высокопрочные, высокомодульные керамические частицы. Дисперсно-наполненные алюмоматричные КМ характеризуются повышенными значениями удельной прочности и жесткости при сохранении высокой демпфирующей способности, электро- и теплопроводности и малого удельного веса, что обеспечивает снижение массы изделий при одновременном повышении надежности и ресурса работы. Согласно результатам работ отечественных и зарубежных исследователей при соответствующем выборе материала матрицы, размера, доли и типа армирующих частиц такие КМ обладают низкими значениями коэффициента трения, а также высокой износостойкостью и задиростойкостью в широком интервале температур.

Кроме того, хорошие литейные свойства, возможность пластической и механической обработки, малый вес и низкая стоимость обеспечивают перспективность и экономическую целесообразность применения таких материалов в машиностроении, особенно в подвижных сопряжениях механизмов и машин. КМ с матрицами из сплавов алюминия получают преимущественно жидкофазными методами, обеспечивающими более прочную межфазную связь по сравнению с твердофазными методами и, как следствие, лучшие свойства КМ. Наибольшее применение такие КМ получили в узлах трения механизмов, работающих в экстремальных условиях.

На сегодняшний день наиболее изученными являются КМ, армированные частицами карбида кремния. Однако исходя из теоретических предпосылок, КМ системы Al-TiC (КМ с матрицей из сплавов алюминия, армированных частицами карбида титана) могут превзойти по комплексу свойств КМ системы Al-SiC, так как карбид титана обладает лучшими прочностными свойствами (твердостью, пределом прочности, модулем упругости и т.д.) и лучшей термодинамической совместимостью со сплавами на основе алюминия.

Однако изготовление КМ системы Al-TiC еще не вышло из стадии лабораторной отработки, и исследования, касающиеся КМ этой системы, недостаточны для характеристики их работоспособности в составе трибосопряжений.

Во многих случаях процесс изготовления из КМ массивных деталей с макрооднородной структурой оказывается технологически сложным и не оправданным экономически. Перспективным направлением, отвечающим современным тенденциям, является создание функционально армированных, или градиентных, композиционных материалов, в которых необходимые специальные свойства могут быть получены в заданных зонах, например, в поверхностных слоях, если детали работают в условиях трения и изнашивания. Разработка технологий формирования градиентных композиционных материалов (ГКМ) должна существенно улучшить технико-экономические характеристики деталей, расширить диапазон эксплуатационных нагрузок, увеличить срок службы. Среди известных способов формирования ГКМ (центробежное литье, пропитка преформ переменного состава, нанесение покрытий) к наиболее технологичным можно отнести дуговую наплавку на рабочие поверхности деталей, для которой, однако, необходим присадочный материал из КМ.

При разработке таких присадочных материалов появляется возможность ремонта и восстановления деталей из КМ после длительной эксплуатации.

Другим способом изменения свойств поверхностных слоев гетерофазных высококонцентрированными источниками энергии (лучом лазера, электрической дугой в магнитном поле). Однако работ по нанесению покрытий из КМ и модифицированию поверхности объемно армированных КМ практически нет.

Из вышеизложенного следует, что разработка технологии изготовления дисперсно-наполненных алюмоматричных КМ и ГКМ на их основе, оценка свойств этих КМ, в том числе и триботехнических, является актуальной. Работа отвечает приоритетному направлению «Разработка методов получения химических веществ и создание новых материалов» Программы фундаментальных исследований Президиума РАН и выполнена в рамках проектов РАН ОХМН-3 и П18 в 2007-2009 гг., грантов РФФИ №05-03-32217-а, №08-03-12024-офи и научной школы НШ-2991-2008.3.

Целью работы является разработка объемно армированных КМ на основе алюминия и его сплавов, упрочненных частицами карбидов титана и кремния, исследование структуры и свойств этих КМ, а также разработка составов и технологий формирования ГКМ на основе этих систем.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработать технологию изготовления литых дисперснонаполненных КМ системы Al-TiC.

2. Провести анализ состава межфазных продуктов, структуры и свойств литых КМ систем Al-TiC и Al-SiC в зависимости от режимов совмещения и состава (материала матрицы и наполнителя, доли и размера армирующих частиц).

3. Провести сравнительное исследование триботехнических свойств КМ систем Al-TiC и Al-SiC. Выявить влияние условий нагружения и состава КМ на механизмы изнашивания и определить допустимые диапазоны трибонагружения.

4. Разработать технологию изготовления ГКМ на основе алюминия и его сплавов методами дуговой наплавки покрытий из КМ. Разработать присадочный материал для дуговой наплавки, определить режимы дуговой наплавки, исследовать структуру и свойства наплавленных композиционных покрытий.

5. Разработать технологию модифицирующей обработки поверхности КМ высококонцентрированными источниками энергии (дугой в магнитном поле, лазерным излучением). Определить составы КМ, пригодные для модифицирующей обработки, схемы и технологические параметры процессов получения ГКМ. Исследовать структуру и свойства модифицированных КМ, оценить их работоспособность в сопоставлении с исходными литыми образцами.

Научная новизна.

1. Установлено, что физико-химические свойства частиц карбида титана, а именно, термодинамическая стабильность, металлическая составляющая связи, теплопроводность, удельный вес позволяют осуществить жидкофазный процесс изготовления композиционных материалов системы Al-TiC механическим замешиванием наполнителя в матричный расплав. Благодаря лучшей смачиваемости распределение частиц TiC в алюминиевой матрице характеризуется большей однородностью, чем в композиционных материалах системы Al-SiC (параметр кластеризации, определенный по методу мозаик Дирихле, в КМ АК12М2МгН-10мас.%TiC(40-100) и АК12М2МгН-10мас.%SiC(40) равен соответственно 0,69 и 0,81).

2. Показано, что удовлетворительные литейные свойства дисперснонаполненных алюмоматричных композиционных материалов делают возможным изготовление градиентных функционально армированных композиционных материалов методом дуговой наплавки. При этом требуемое качество формирования наплавленных слоев достигается при содержании в присадочном материале до 10 мас.% частиц TiC и SiC, если средний размер частиц 14 мкм, и при более высоком содержании, если средний размер частиц 40 мкм. Легирование матрицы присадочного материала кремнием в количестве, близком к эвтектическому, обеспечивает при наплавке необходимую жидкотекучесть и сохранение наполнителя в наплавленных слоях.

3. Установлена возможность почти на порядок повысить дисперсность матриц литых композиционных материалов без деградации армирующих частиц при модифицирующей обработке электрическим дуговым разрядом в магнитном поле или лучом лазера за счет закалочных скоростей охлаждения оплавленного слоя. Такая обработка способствует повышению твердости на 20-40% и износостойкости поверхностных слоев в 1,5-2 раза.

4. Сформулированы закономерности поведения дисперснонаполненных алюмоматричных КМ в условиях сухого трения скольжения против контртела из закаленной стали. Показано, что введение армирующих частиц SiC и TiC в матричные алюминиевые сплавы приводит к повышению стабильности процесса трения, снижению коэффициента трения, увеличению значений критических нагрузок перехода от мягкого режима изнашивания к интенсивному и повышению износостойкости благодаря формированию на поверхности трения переходного защитного слоя в виде механической смеси из материала матрицы, контртела, армирующих частиц и их окислов.

Практическая значимость.

Разработана и реализована жидкофазная технология получения дисперсно-наполненных алюмоматричных КМ путем механического замешивания частиц TiC и SiC размером до 100 мкм с долей армирования до 17 мас.%. Определены режимы механического замешивания частиц TiC и SiC в матричные расплавы алюминиевых сплавов.

Разработаны составы и технология изготовления прутков из алюмоматричных КМ для наплавки износостойких покрытий (патент на изобретение №2361710, приоритет от 12.02.2008). Определены схемы и режимы аргонодуговой наплавки, обеспечивающие получение покрытий, обладающих композиционной структурой с заданной долей армирования и удовлетворительным распределением наполнителя.

Определены схемы и технологические режимы обработки литых КМ и ГКМ дуговым разрядом в магнитном поле и лучом лазера, позволяющие повысить дисперсность матрицы в поверхностном слое в 5-10 раз, увеличить твердость на 20-40%, износостойкость в 1,5-2 раза.

Изготовлены опытные образцы КМ систем Al-TiC и Al-SiC для испытаний на ООО «ПК. Борец» «Центр разработки нефтедобывающего оборудования» (ЦРНО). Присадочные прутки опробованы на предприятии ООО «НПП КУРС» при ремонте редукторного механизма локаторной установки. Модифицирующую обработку поверхности предполагается опробовать на рабочих поверхностях теплоэнергетического оборудования, эксплуатирующегося в экстремальных условиях, на предприятии ООО «АГНИ-К». Имеются справки о применении разработок от соответствующих предприятий.

Методы исследования и достоверность полученных результатов.

Достоверность результатов и выводов диссертации обеспечена использованием современных методов исследования. Металлографический анализ структуры образцов проводили с использованием оптических микроскопов Neophot и Leica DMILM с программой Qwin для анализа изображений, а также растровых электронных микроскопов Leo 430i и FEI Quanta 3D FEG, оснащенных приставками для микроанализа.

Механические свойства оценивали путем испытаний образцов на сжатие на установке Instron 3382 и измерений твердости по Бринеллю (HB) на приборе Wilson Wolpert и микротвердости на приборе WHV-CCD.

Испытания на трение и износ литых КМ, образцов с наплавленными покрытиями и после модифицирующей обработки осуществляли на универсальной машине трения МТУ-01 (ТУ 42-71-001-29034600-2004) в условиях сухого трения скольжения. Анализ фрактограмм изломов, а также поверхностей трения и продуктов изнашивания (дебриса) проводили методами оптической, растровой электронной микроскопии и рентгеновского энергодисперсионного анализа. Обработку результатов экспериментальных исследований осуществляли с использованием стандартных программ Microsoft Exel и MathCAD.

Интерпретация результатов исследований базируется на современных представлениях о структуре и свойствах гетерофазных материалов, механизмах трения и изнашивания.

Апробация работы.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на Конференции молодых научных сотрудников и аспирантов Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН (Москва, 2006, 2007, 2008, 2009 гг.); 2-ой Всероссийской конференции по наноматериалам (НАНО-2007) (Новосибирск, 2007 г.); IX Российско-Китайском Симпозиуме «Новые материалы и технологии» (Астрахань, 2007 г.);

Международной конференции «Junior Euromat-2008» (Швейцария, Лозанна, 2008 г.); V международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий» (Украина, Крым, Большая Ялта, Жуковка, 2008 г.); Научно-технической конференции с участием иностранных специалистов «Трибология - Машиностроению»

(Москва, 2008 г.); 6-ой международной конференции «Теория и практика технологии производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов» (Москва, 2009 г.); VI Международной конференции «High Temperature Capillarity-2009» (Греция, Афины, г.); VIII международной научно-технической конференции «Современные металлические материалы и технологии (CMMT-2009)» (Санкт-Перербург, 2009 г.); VI международной научной школе-конференции «Фундаментальное и прикладное материаловедение» (Барнаул, 2009 г.), II Международном форуме по нанотехнологиям (Москва, 2009 г.), IX Международной научной конференции «Трибология и надежность»

(Санкт-Петербург, 2009 г.), III международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, 2009 г.), X Китайско-Российском Симпозиуме «Новые материалы и технологии»

(КНР, Дзясин, 2009 г.).

Публикации. Материалы диссертации отражены в 24 печатных работах, в том числе 6 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы из 161 наименования, изложена на 202 страницах машинописного текста, содержит 94 рисунка, 36 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведены общие сведения о дисперснонаполненных КМ с металлической матрицей. Проведен анализ способов изготовления дисперсно-наполненных КМ с матрицами из алюминиевых сплавов, армированных высокопрочными керамическими или интерметаллидными фазами. Показано, что максимальный уровень свойств обеспечивают жидкофазные способы изготовления объемно армированных КМ. Среди них выделено изготовление КМ введением готовых армирующих частиц в матричный расплав (ex-situ), например механическим замешиванием, и реакционное литье (in-situ), при котором армирующие наполнители образуются в результате реакций взаимодействия между исходными компонентами. Определяющими в процессах жидкофазного совмещения матриц и наполнителей являются смачивание и реакционная способность, от которых зависит качество межфазной связи в КМ и свойства КМ в целом.

В настоящее время наибольшее промышленное применение получили алюмоматричные КМ, армированные частицами SiC. Однако, согласно работам Iseki T., Karim A.M., Viala J.C., Kaptay G., Fan T. и др.

система Al-SiC является термодинамически нестабильной. При температурах выше 923К в системе Al-SiC происходит интенсивное химическое взаимодействие между матрицей и наполнителем с образованием карбида алюминия (Al4C3). При температурах, превышающих 1620К, образуется тройной карбид алюминия (Al4SiC4).

Введением кремния в матричные расплавы можно ограничивать или подавлять это взаимодействие и предотвращать деградацию наполнителя.

В работах Frage N., Froumin N., Leon C.A. показано, что система Al-TiC более термодинамически стабильна, и взаимодействие матрицы и наполнителя при температурах выше 966К не происходит. С позиций коррозионной стойкости и термической стабильности композиция Al-TiC является более предпочтительной, чем Al-SiC, однако до сих пор остается менее изученной и не получила промышленного применения.

Рассмотрены механические и триботехнические свойства дисперснонаполненных КМ. Показано, что такие КМ обладают не только высокими характеристиками прочности и жесткости, но и рекордной износостойкостью и являются альтернативой сплавам триботехнического назначения на основе меди, алюминия и чугунам.

Проведен анализ методов создания ГКМ, в которых пространственно неоднородные структуры обеспечивают новые свойства и новые функции.

Показано, что среди способов формирования ГКМ практический интерес могут представлять методы дуговой наплавки композиционных покрытий на рабочие поверхности деталей, а также методы модифицирующей обработки поверхности готовых изделий высококонцентрированными потоками энергии (лучом лазера, плазмой и др.). Дуговая наплавка требует разработки присадочных материалов из КМ. Опыт обработки дисперснонаполненных КМ высококонцентрированными источниками энергии весьма ограничен, несмотря на очевидные перспективы такой обработки.

На основе литературного обзора сформулированы задачи исследования.

Вторая глава содержит сведения о материалах, оборудовании и методах исследований, применявшихся в работе.

В качестве матричных сплавов для изготовления дисперснонаполненных КМ и присадочных материалов из них применяли чистый алюминий А99 (ГОСТ 11069-2001) и алюминиевые сплавы систем Al-Cu-