Технические науки/1.Металлургия.

Печников А.А., Толешулы А., Мещеряков Е.Г.

Карагандинский Государственный Технический Университет, Казахстан

ЛИТЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ ИЗДЕЛИЯ С АЛЮМИНИЕВОЙ МАТРИЦЕЙ

Композиционные материалы и изделия на алюминиевой основе отличаются достаточно высокими механическими характеристиками и хорошей технологичностью для деталей машин различного назначения, однако практическое применение их остается на низком уровне.

В настоящее время известны различные технологические процессы введения дисперсных упрочняющих компонентов в алюминиевую матрицу, в том числе твердофазное компактирование подготовленных порошковых смесей, жидкофазные методы в виде пропитки расплавом пористых тел из частиц наполнителя или замешивания их в расплав.

В качестве технологически и экономически приемлемых армирующих элементов для изделий на основе матриц из алюминиевых сплавов находят применение мелкодисперсные материалы, полученные из техногенных отходов. Используются, в том числе, шлаки металлургических производств, ваграночной плавки, отходы обогащения, золы тепловых агрегатов, шамотный порошок, бой керамики и др., которые размалывают в порошок в шаровых или вибрационных мельницах и прокаливают в сушильных шкафах или в камерных печах.

В зависимости от их природы и вещественного состава вводимых частиц они могут способствовать повышению прочностных, фрикционных или антифрикционных характеристик матричного сплава.

Один из весьма перспективных для практического применения вариантов композиционных материалов - получение так называемых функционально, или градиентно-армированных изделий, при котором необходимые параметры физических свойств и эксплуатационных характеристик (коэффициентов трения, термического расширения, износостойкости, модуля упругости и др.) реализуются в отдельных заданных областях изделия.

Это позволяет существенно снизить себестоимость изделий и в ряде случаев упростить и облегчить их механическую обработку.

Наилучшим образом соответствует условиям формирования таких композиционных изделий литье. Технологии их получения во многом сходны с известными способами поверхностного и локального легирования при производстве отливок, однако есть и ряд отличий и проблем, требующих исследования. К числу актуальных задач относится обеспечение необходимого равномерного распределения армирующих частиц и их эффективного смачивания расплавом матрицы.

Известно, что для получения функционально-армированных композиционных изделий технологически целесообразными и эффективными являются литье с кристаллизацией под давлением, в кокиль, а также центробежное литье.

Для исследования оптимальных параметров ввода армирующих частиц в расплав при получении центробежным литьем функционально-армированных сплошных и полых отливок типа тел вращения с армированным слоем в различных зонах отливки по толщине, были разработаны и изготовлены лабораторные центробежные машины с горизонтальным и вертикальным положением оси вращения форм. Для изменения скорости вращения форм использовали сменные шкивы.

Для получения экспериментальных отливок разработана оснастка разборной конструкции, в которой возможно регулирование скорости охлаждения залитого металла за счет использования вкладышей, материала облицовочного слоя и его толщины.

Целью исследования является отработка методов ввода армирующих частиц различного состава и размеров, уточнение механизма поведения армирующих частиц в матричном сплаве, термовременных и гидродинамических параметров процесса.

На экспериментальной установке были изготовлены образцы ГКМ в виде втулок наружным диаметром 80 -100 мм, внутренним 45-70 мм и высотой 50 - 60 мм.

Для получения отливок с заданным содержанием керамического наполнителя готовили лигатуры с 10% содержанием армирующих частиц, которые затем при переплаве разбавлялись сплавом АК12 до необходимой концентрации. При их изготовлении армирующие частицы механически замешивались в жидкий металлический расплав. Опробовались также и другие способы ввода армирующих частиц.

Исследовали влияние температуры композиции, величины гравитационного коэффициента и положения оси вращения на формирование в отливках градиентных слоев. Температура нагрева формы при заливке составляла 250±10°С. Согласно данным исследований, для получения плотной отливки из алюминиево-кремниевых сплавов эвтектической концентрации минимально необходимый гравитационный коэффициент на свободной поверхности должен быть в пределах 30-50.

Расплав заливали при температурах 680, 720 и 780±10°С и скорости вращения изложницы 1000, 1300 и 1500 об/мин.

В образцах с 5% SiC40 при температуре 680°С и скорости вращения 1000 об/мин градиентный слой наполнителя не образовывался, керамический наполнитель достаточно равномерно распределился по всей толщине отливки.

В образцах с SiC40 и Al₂0₃(40), полученных при 780°С и 1000 об/мин, у наружной поверхности в обоих случаях образовывался градиентный слой армирующих частиц, а в середине и на свободной поверхности они отсутствовали.

Были проведены эксперименты по получению ГКМ при температуре 720°С и 1500 об/мин. Анализ структуры образца состава AK12+5%SiC40 показал, что вблизи внутренней поверхности частицы SiC отсутствуют, но они все еще достаточно равномерно распределены в средней зоне отливки. На наружной поверхности наблюдалось увеличение содержания армирующих частиц. Можно предположить, что температура заливаемого сплава влияет на характер распределения частиц больше, чем скорость вращения формы.

Исследовали процесс получения ГКМ из материала состава АК12+2%А1₂0₃(40)+3% аморфного графита. При заливке такой композиции предполагалось, что более плотные частицы А1₂0₃ распределятся на периферии, а графит, имеющий меньшую плотность, чем матричный сплав, сформирует градиентный слой на свободной поверхности. Однако исследования структуры этого образца показали, что градиентный слой, полученный у наружной поверхности состоит как из частиц А1₂0₃, так и частиц графита. Имеется ярко выраженный переходный слой. Такое распределение графита по сечению образца может быть объяснено возможностью выполнения армирующими частицами транспортной функции, когда более плотные и мелкие частицы А1₂0₃ блокируют и перемещают менее плотный и более крупный графит к периферии формы. На наш взгляд, это позволяет создавать различные комбинации армирующих компонентов в различных частях отливки и получать отливки с заданными свойствами. Планируются исследования с другими комбинациями компонентов.

Исследованиями установлено, что при заливке с вертикальной осью вращения ширина градиентных слоев изменяется по высоте отливки. Так, например, содержание частиц А1₂0₃ в верхней части образца несколько ниже, чем в середине и в нижней части. Эта же закономерность наблюдается и в образцах с частицами SiC. При применении частиц В₄С в качестве наполнителя наружный градиентный слой в верхней части отливки немного шире, чем в середине и в нижней части. Это можно объяснить тем, что при небольшой (0,15 г/см³) разности плотностей наполнителя и сплава, меньшую роль играет процесс седиментации, а большую - условия заполнения формы при вертикальной оси вращения. При заливке с вертикальной осью вращения формообразование отливки происходит снизу вверх, и можно предположить, что некоторая часть армирующих наполнителей восходящими потоками расплава выносится в верхнюю часть отливки. При заливке с горизонтальной осью вращения такая неоднородность в распределении не наблюдается, так как заполнение формы происходит практически равномерно по всей длине отливки.

Армирующие наполнители SiC, А1₂0₃ и графит по своим тепло-физическим характеристикам не могут быть центрами кристаллизации. Эффект модифицирования может быть связан с эффектом ограничения объемов кристаллизующегося расплава в зонах с высоким содержанием армирующих частиц и, как следствие, с невозможностью роста кристаллов в условиях ограниченного питания. В зонах, где отсутствует наполнитель, наблюдается рост кристаллов, и они превращаются в крупные дендриты, типичные для структуры силуминов, затвердевающих при малых скоростях охлаждения.

Была измерена твердость образцов ГКМ в градиентном слое и в центральной части. Установлено, что максимальную твердость в наружном слое имеет композит состава АК12+10% А1₂0₃(40), что связано с высоким процентным содержанием твердого наполнителя. В переходном слое твердость уменьшается за счет снижения в нем концентрации частиц А1₂0₃. Твердость наружного слоя в полиармированом образце состава АК12+2% А1₂0₃40+3% графита несколько ниже, что обусловливается меньшим количеством частиц А1₂0₃ и присутствием мягких частиц графита. В переходном слое происходит заметное снижение твердости за счет уменьшения концентрации частиц А1₂0₃.

В результате проведения исследований были оптимизированы температурные режимы литья, обеспечивающие формирование плотных градиентных слоев в АКМ: температура композиции 780±10°С, температура формы 250±10°С, скорость вращения формы 1000 об/мин.

Распределение частиц в поле действия центробежных сил по сечению отливки зависит от соотношения плотностей частиц и матричного сплава, от их дисперсности, процессов всплывания и оттеснения частиц фронтом кристаллизующейся твердой фазы.

Изменяя природу армирующих частиц, их концентрацию и гранулометрический состав, температурное поле, скорость вращения изложницы, можно управлять характером распределения частиц и получать отливки с заданной структурой и свойствами.