Создание новых материалов, используемых в различных отраслях техники, и разработка или усовершенствование технологий их полученияэто актуальные проблемы современного машиностроения, поскольку повышение качества и долговечности продукции являются наиболее приоритетными направлениями развития любого производства.
Известно, что значительная часть механизмов в машиностроении выходит из строя вследствие износа подвижных сопряжений под действием сил трения, поэтому исследованиям в области создания новых материалов с повышенными триботехническими свойствами в последние годы уделяется значительное внимание.
Одним из наиболее перспективных путей решения проблем преждевременного износа деталей является разработка новых составов и технологий получения-новых композиционных сплавов, применение которых позволяет значительно улучшить механические и эксплуатационные свойства изделий [1]. Среди таких материалов значительное место в научных и практических исследованиях занимают алюмоматричные композиционные сплавы (АКС), упрочненные частицами эндогенного и экзогенного происхождения.
Теоретическими и экспериментальными исследованиями российских и зарубежных ученых, в частности И. В. Гаврилина, A.A. Аксенова, Т. А. Чернышовой, A.A. Шерецкого, М. Флемингза, Р. Мерабяна, П. Рохатжи и многих других установлено, что АКС обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционными алюминиевыми сплавами, главными из которых являются высокие удельный модуль, прочность и размерная стабильность, жаропрочность и износостойкость, низкие коэффициенты трения и термического линейного расширения.
Анализ современного состояния в области литых АКС показывает, что наиболее актуальные проблемы, которые ограничивают и сдерживают широкое применение АКС в машиностроении, связаны с поиском решений в областях разработки или усовершенствования оптимальных технологических процессов получения АКС и оптимизации их составов.
Известны различные способы получения композиционных сплавов на основе алюминия, армированных дисперсными упрочняющими фазами. Одним из широко распространенных жидкофазных способов является метод механического замешивания дискретных тугоплавких частиц в расплав, благодаря своей простоте и универсальности. Однако он имеет ряд существенных недостатков, главными из которых являются окисление и газонасыщение матричного сплава и низкий уровень адгезионных связей на поверхности раздела между наполнителем и матрицей. Минимизировать эти недостатки позволяет синтез армирующих фаз непосредственно в расплаве, получивший название реакционного литья, или т-эки процесса. Этот метод обеспечивает возможность получения композитов с высокой термодинамической устойчивостью, отсутствием коагуляции наполнителя, плотным контактом и хорошей адгезией между матрицей и эндогенной упрочняющей фазой, следствием чего является повышенный уровень механических и эксплуатационных характеристик, изделий из, композитов. Кроме того, за счет введения в матричный сплав дополнительно экзогенных армирующих частиц, возможно достичь большего повышения характеристик изделий из композитов [2].
Информация о получении комплексно армированных многофазных АКС в отечественной и зарубежной литературе представлена в ограниченном объеме. В связи с этим, разработка новых композиций многофазных АКС и разработка или усовершенствование методов комплексного' армирования АКС наполнителями эндогенного и экзогенного происхожденияпо мнению автора, является принципиально новым концептуальным подходомк созданию материалов функционального назначения с повышенными триботехническими свойствами, а уровень и значимость проводимых научных исследований соответствует мировому уровню развития науки в данной области.
Работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2002;2006 годы», в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009;2011 годы)», при поддержке гранта РФФИ № 05−03−32 697-а, а так же при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в рамках программы «У.М.Н.И.К».
Целью работы является разработка новых композиций комплексно армированных многофазных АКС систем А1-Т1−81С-В4С и А1-И-8Ю-В и усовершенствование жидкофазной технологии их получения для отливок с повышенными триботехническими свойствами.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
1. На основании термодинамического анализа межфазного взаимодействия в многофазных системах А1-Т1−81С-В4С и АЬТьБЮ-В обосновать выбор соотношений исходных компонентов с целью получения многофазных АКС с требуемой долей эндогенных и экзогенных фаз.
2. Усовершенствовать жидкофазную технологию для получения многофазных АКС систем АКП-8Ю-В4С и АШ-ЭЮ-В с использованием комплексного экзогенного и эндогенного армирования и оптимизировать технологические режимы получения сплавов.
3. Провести исследования структуры, трибологических и механических свойств отливок из новых многофазных АКС с различной долей армирующих фаз.
4. На основании опытно-промышленных испытаний изделий из многофазных АКС в узлах трения скольжения различного технологического оборудования оценить эффективность использования АКС в сравнении с традиционными антифрикционными сплавами.
Методики исследований. Результаты работы получены путем теоретических и экспериментальных исследований с использованием металлографического, рентгенофазового и микрорентгеноспектрального анализов. Проведены исследования антифрикционных, механических и литейных свойств материалов. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлена с использованием методов статистического анализа программы Мюгозо11®Ехсе12 007.
Научная новизна работы:
• на основании термодинамического анализа межфазного взаимодействия в системах А1-ТЬ81С-В4С и А1 -Ть81С-В дана оценка вероятности образования эндогенных упрочняющих фаз и обоснован выбор соотношений исходных компонентов" с целью получения многофазных АКС с требуемой долей эндогенных и экзогенных фаз;
• выявлена принципиальная возможность получения многофазных АКС систем А1-Ть81С-В4С и АИл^С-В с применением комплексного армирования эндогенными (ТлС, ТТВ2, ИВ, А1В2, Т1А13, Т1А1 и др.) и экзогенными (ЭЮ) фазами различной природы. Установлена роль термовременных режимов при получении многофазных АКС на процессы межфазного взаимодействиявпервые представлены сведения о трибологических, механических и литейных свойствах новых многофазных АКС систем А1-Ть81С-В4С и АКП^С-В.
Практическая ценность:
• разработаны новые композиции многофазных АКС систем АЬТьЗЮ-В4С и АЬТьБЮ-В, комплексно армированных эндогенными и экзогенными фазами;
• усовершенствована жидкофазная технология получения многофазных АКС, армированных эндогенными и экзогенными фазами (Патент РФ №.
2 323 991), включающая новый способ рафинирования алюминиевых сплавов за счет обработки расплава комбинированными флюсами (Патент РФ № 2 318 029);
• результаты, полученные в ходе исследований, приняты и используются в учебном процессе ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» в лекционном курсе по дисциплине «Современные технологии получения литых функциональных и конструкционных материалов» для магистрантов по направлению 150 100.68 «Металлургия».
Реализация результатов работы в промышленности. По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработаны новые композиции многофазных АКС, комплексноармированных наполнителями эндогенного и экзогенного происхождения, и усовершенствована технология их получения. Опытно-промышленная апробация АКС в условиях ОАО «Ставровский завод автотракторного оборудования», ООО «Ставровский комбинат «Спорт» (Владимирская обл.) и ООО «Литмаш» (Ивановская обл.) показала, что применение АКС в узлах трения скольжения в прессах мод. КД2128Е взамен бронзовых вкладышей опоры эксцентрикового вала, в продольношлифовальных станках мод. ЗБ722 и безцентровошлифовальных станках мод. ЗА184 взамен бронзовых вкладышей опоры шпинделя в шлифовальной бабке и другого оборудования позволило увеличить в 4−5 раз межремонтные циклыпрофилактики оборудования и за счет снижения себестоимости изготовления подшипников скольжения в 3−3,5 раза обеспечить получение экономического эффекта до 30 000 рублей на единицу оборудования.
Личный вклад автора состоит в теоретическом обосновании поставленных задач, проведении экспериментальных исследований, анализе полученных результатов и их обобщении.
Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на следующих российских и международных научно-технических и научнопрактических конференциях: Всероссийской (с международным участием) молодежной научной конференции «XI Туполевские чтения» (г. Казань, 2003 г.) — Научно-технической конференции «Проблемы машиностроения' на современном этапе» (г. Владимир, 2003 г.) — III Международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии» (г. Москва, 2005 г.) — Международной молодежной научной конференции, посвященной 1000-летию города Казани «Туполевские чтения» (г. Казань, 2005 г.) — XVIII Международной Интернет-конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУСпробмаш-2006) (Москва, 2006 г.) — Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Брянск, 2006 г.) — 26-ой, 27-ой и 28-ой Международных конференциях и выставках «Композиционные материалы в промышленности» (г.г. Ялта-Киев, 2006;2008г.) — Международной, научно-технической конференции «Высокие технологии и перспектива интеграции образования, науки и производства"^ (Ташкент, 2006 г.) — Всероссийской конференции инновационных проектов аспирантов и студентов «Индустрия наносистем и материалов» (Москва, 2006 г.) — VII-VIII съездах литейщиков России (г. Новосибирск, 2005 г., г. Ростов-на-Дону, 2007 г.) — Международной конференции / молодежной школе-семинаре «Современные нанотехнологии и нанофотоника для науки и производства» (г. Владимир, 2008 г.) — IV межотраслевой научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых с международным участием «Вооружение. Технология. Безопасность. Управление» (г. Ковров, 2009 г.) — II научно-практической конференции «Заготовительные производства предприятий Волго-Вятского региона» (г. Нижний Новгород, 20 Юг) — ежегодных научно-технических конференциях ВлГУ (Владимир).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликована 21 научная работа в журналах и сборниках трудов российских и международных научно-технических конференций, в том числе 3 в журналах из Перечня ведущих научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФполучены 2 патента РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и общих выводов. Диссертация изложена на 134 страницах машинописного текста, включая приложения, и содержит 40 рисунков, 18 таблиц, а также список литературы из 174 наименований.
9. Результаты работы внедрены в учебном процессе на кафедре ЛПиКМ ВлГУ в лекционном курсе по дисциплине «Современные технологии получения литых функциональных и конструкционных материалов» для магистрантов по направлению 150 100.68 «Металлургия».
