Разработка и применение дисперсно упрочненных алюмоматричных композиционных материалов в машиностроении

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.

Последние десятилетия характеризуются усилением внимания всех промышленно-развитых стран к проблемам трения и изнашивания, вредные последствия которых весьма убыточны [1 — 6]. Проблемы связаны прежде всего с потерями материалов при изнашивании и выходом оборудования из строя, образованием экологически вредных продуктов износа, а также большими энергопотерями. Поэтому важнейшая проблема современной науки — изыскание эффективных методов повышения износостойкости и снижения энергоемкости подвижных сопряжений [5,7−9]. В связи с этим идет интенсивное развитие и освоение новых видов триботехнических материалов, в том числе биметаллических [10].

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 приспосабливаемостьс другойсогласно макрогеометрическому подходу — надежная работа трибосопряжений за счет стабильности макрогеометрических характеристик соответствующих деталей.

Важнейшей задачей современного машиностроения является повышение конструктивной прочности, надежности и долговечности деталей. Повышение эксплуатационных характеристик требует создания оптимальных структур, обеспечивающих требуемый уровень надежности и долговечности. Важным требованием является сочетание высокой прочности с достаточным запасом пластичности [11]. Среди методов получения оптимальных структур, обеспечивающих повышение эксплуатационных свойств, разработанных при практическом использовании научных принципов повышения прочности, предложено формирование дислокационной структуры созданием дисперсных фаз [12]. Развитием данного теоретического положения явилось создание особого класса новых гетерофазных материалов, состоящих, как правило, из высокопрочных наполнителей (дисперсных фаз) и пластичных связующих (матриц) -композиционные материалы (КМ).

Совместная работа разнородных компонентов дает эффект, равносильный созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из составляющих [13]. Существенная особенность КМ заключается в том, что их свойства являются проектируемыми.

В настоящее время во всем мире активизируются исследования, направленные на более широкое практическое применение композиционных материалов (КМ). В композитах с металлической матрицей сочетаются достоинства конструкционных металлических материалов с достоинствами наполнителя, чаще всего высокомодульного керамического. Поэтому для металломатричных КМ характерны высокие значения прочностных характеристик, модулей упругости, вязкости разрушения, они сохраняют стабильность своих характеристик в широких температурных пределах, обладают высокой электро и теплопроводностью, а также малой чувствительностью к поверхностным дефектам.

Для применения в различных триботехнических устройствах: тормозах, амортизаторах удара, подшипниках скольжения, деталях цилиндро-поршневой группы и. других подобных узлах перспективными признаны дискретно армированные композиционные материалы, важной особенностью которых является изотропия свойств [14]. Наиболее дешевыми и надежными являются металломатричные композиты на основе алюминиевых сплавов, армированных частицами 8Ю. В литературе, посвященной использованию композитов в триботехнических целях, отмечено, что дискретно армированные КМ на основе алюминиевых сплавов обладают комплексом свойств, отличающихся от традиционных материалов и открывающих широкие возможности для самых разнообразных целей. Среди этих свойств отмечают широкие функциональные и технологические возможности, повышенную износостойкость, малую плотность, высокие прочность и жесткость, что обеспечивает снижение массы изделий с одновременным повышением надежности и увеличением ресурса работы [15].

Использование КМ в узлах трения массового производства является актуальным и экономически выгодным. Проведенные испытания показывают перспективность КМ, армированных дисперсными тугоплавкими частицами, для внедрения в автомобилестроение и другие отрасли машиностроения [16,17]. Триботехнические свойства КМ зависят от многих переменных факторов, которые оптимизируются для каждой конкретной ситуации. Современные технологии создания КМ основываются на принципах управления свойствами путем направленного структурирования. Возможность изменения количества ' и размера армирующих частиц, добавление не только керамических частиц, но и частиц графита или других веществ в качестве твердой смазки, а также разнообразие матричных сплавов открывают широкие перспективы для использования КМ в узлах трения. Существует также возможность регулирования свойств КМ за счет термической и термомеханической обработки [18].

Однако, несмотря на преимущества КМ с металлическими матрицами перед традиционными материалами, их производство и применение в трибопарах еще весьма ограничено. Наряду с разработкой составов и совершенствованием технологии изготовления требуется дальнейшая разработка общих принципов конструирования КМ для триботехнических целей и накопление опыта их эксплуатации.

До настоящего времени отсутствуют рекомендации по разработке дисперсно упрочненных алюмоматричных композиционных материалов и технологических процессов их производства для заданных конкретных условий эксплуатации при обеспечении оптимального комплекса механических и эксплуатационных свойств. Не определены факторы, способствующие формированию потребительских свойств КМ на алюминиевой основе. Таким образом, разработка научно-обоснованных технологических и технических решений в области производства литых дисперсноупрочненных изотропных КМ и их внедрение в производство I представляют собой актуальную задачу.

В связи с этим целью настоящего исследования явился поиск объектов, где целесообразно применение КМ, опробование дискретно армированных КМ с алюминиевыми матрицами в реальных трибосопряжениях и оптимизация на базе экспериментальных данных и стендовых испытаний состава, структуры и свойств КМ триботехнического назначения.

Диссертационная работа содержит результаты экспериментальных исследований структуры, механических и трибологических свойств дискретно-упрочненных КМ на основе алюминиевых сплавов различного состава. Уделено внимание выбору вида, фракционного состава и управлению распределением армирующих частиц в матрице для улучшения триботехнических характеристик. Установлена возможность получения неразъемного биметаллического соединения КМ — сталь, что может стать прорывом в подшипниковом производстве и значительно увеличить надежность работы подшипников и снизить затраты на их изготовление. Выявлены закономерности влияния структурных факторов и условий работы трибосопряжения на процессы трения и износа и особенности изменения распределения структурных составляющих при проведении термомеханической обработки, что открывает дополнительные возможности управления структурой материала, следовательно, и его свойствами. Уточнены условия удовлетворительной работы трибопары КМКМ, что расширяет диапазон применения указанной группы материалов.

На основе результатов исследований разработаны рекомендации по использованию КМ системы «алюминиевые сплавы-частицы керамики», как для действующих узлов трения, так и для проектируемых. Экономическими расчетами доказана целесообразность применения последних в промышленных масштабах. Показано, что по эксплуатационным и технологическим параметрам, а также по финансовым показателям КМ А1 -8Ю не уступает и даже превосходит традиционно используемые материалы.

Подготовлены рекомендации по составу, методам изготовления и использованию КМ системы А1 — армирующие керамические фазы в опытных изделиях новой техники и для изготовления деталей узлов трения скольжения массового производства.

Научная новизна — 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 КМсталь имеет преимущества перед парой бронза-сталь по значениям износа, выдерживаемой нагрузке, стабильности коэффициента трения в рабочем режиме, а также плавности колебаний 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.

— Показана целесообразность замены алюмоматричными дисперсно наполненными КМ традиционных антифрикционных материалов (бронз, латуней, алюминиевых антифрикционных сплавов) в ряде ответственных узлов машиностроения.

— Оптимизированы технология и материал пар трения, в состав которых входят детали из КМ. Добавка в КМ системы АЬБЮ 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.

— 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. КМ различных составов на основе практически всех групп 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 «Научноисследовательский институт авиационной технологии и организации производства», что подтверждено соответствующими актами.

На базе ООО «Пластметпроект», г. Ульяновск, введен в эксплуатацию литейный участок по изготовлению дисперсноупрочненных 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 № 67 902 от 10 ноября 2007г).

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).

Разработана технология изготовления деталей из КМ в условиях промышленного производства. В натурных условиях опробованы и успешно применяются детали из КМ составов AK12+5%SiC (28)+2,5%C (4oo> B124+8%Si3N4(3.5), AK9+4%SiC{28), A99+10%Ti+5%SiC (28), An25+3,5%SiC (28), AK9+5% SiC (28)+l, 25%C (4oo) и AK12+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 NissanQMax, дисковые ножницы раскройного комплекса ДИН-600, устройство амортизатора задней подвески. В стадии разработки находятся втулка свертная ОСТ 1.10 289−78, 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 (AMrl+2,5%SiC3, AMrl+5%SiC28, A16+5%SiC28) со сталью и с алюминиевыми сплавами диффузионной сваркой и прокаткой. Биметаллические заготовки предназначаются для изготовления подшипников, упорных колец, вкладышей, полувкладышей и других аналогичных изделий. В разработке находится шайба упорного подшипника коленчатого вала — передняя, с композиционным поверхностным слоем толщиной 0,25 мм на стальной основе.

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 самьгх 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 технологичности изготовления и надежности при эксплуатации;

— снижение веса конструкций;

— значительное уменьшение себестоимости.

Работа выполнена в рамках Программ фундаментальных исследований Президиума РАН в 2004;2008 гг, гранта РФФИ 05−03−32 217 и гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых МК-2006.

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.

Вклад соискателя. Личное участие автора выразилось в постановке задач исследований, получении основных научных результатовпроведении работ по выбору оптимального состава трибоузлов, анализу механизмов изнашивания КМ и выбору состава материала в соответствии с условиями трибонагруженияразработке технологий изготовления деталей из КМразработке научно обоснованных рекомендаций к использованию КМ в реальных узлах тренияуточнении номенклатуры изделий машиностроения и транспорта, где целесообразна замена традиционных материалов на КМ. Основные результаты работы доложены на 35 конференциях и совещаниях, в том числе: на Всероссийской научно-технической конференции «Технология и оборудование современного машиностроения» (г. Уфа, 1998 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ — 98» (г. Москва, 1998 г.), Международной конференции «Математическое моделирование физических, экономических, социальных систем и процессов» (г. Ульяновск, 1999 г.), Международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации» (Кацивели, 2000 г.), Международной научной конференции «Молодежь — науке будущего» (г. Набережные Челны, 2000 г.), XXII Российской школе по проблемам науки и технологии (Миасс, 2002 г.), Заочной молодежной научно-технической конференции «Молодежь Поволжья — науке будущего» (г. Ульяновск, 2003 г.), Всероссийской научнотехнической конференции «Современные Проблемы машиностроения и транспорта» (г. Ульяновск, 2003 г.), XXIV и XXVII международных конференциях «Композиционные материалы в промышленности» (г. Ялта, 2004 и 2007гг), Международной заочной научно-технической конференции «Актуальные вопросы промышленности и прикладных наук» (г. Ульяновск, 2004 г.), 4 Международной научно-технической конференции «Автомобиль и техносфера» (г. Казань, 2005 г.), Международной заочной молодежной научно-технической конференции ЗМНТК-2005 (г. Ульяновск, 2006 г.), Всероссийском Совещании материаловедов России (г. Ульяновск, 2006 г.), Международной конференции «Deformation and fracture of materials — DFM 2006» (г. Москва, 2006 г.), Научно-практической конференции материаловедческих обществ России «Новые градиентные и слоистые композиты» (г. Ершово, 2006 г.), 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, 2007 г.), Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование ОМД» (г. Ульяновск, 2007 г.), Международной конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения» (г. Волгоград, 2007 г.), Международном симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А. Г. Горшкова (г. Ярополец, 2007, 2008гг.).

Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и списка литературы включающего 214 наименований. Диссертация изложена на 243 страницах основного текста и содержит 68 рисунков и фотографий и 43 таблицы.

Основные результаты и выводы.

В результате проведения комплексных исследований предложена научно обоснованная методология решения научно-технической проблемы — повышения надежности и долговечности трибосистем за счет использования в парах трения дисперсно упрочненных композиционных материалов (КМ) на основе алюминиевых сплавов. Проведенные лабораторные испытания КМ позволили выработать научные и технические решения, заключающиеся в установлении составов композиционных материалов, и оптимальных режимов их изготовления, обеспечивающих требуемый комплекс свойств в условиях эксплуатации. Эти решения позволяют повысить надежность и снизить материалоемкость деталей, в том числе работающих в подвижных сопряжениях механизмов и машин, сократить затраты благодаря замене на КМ традиционно используемых триботехнических материалов (бронз, л ату ней).

Реализация поставленной в диссертационной работе цели по разработке технологий, обеспечивающих создание КМ триботехнического назначения с заданным уровнем свойств для удовлетворения потребительских запросов, опробованию дискретно армированных КМ с алюминиевыми матрицами в реальных трибосопряжениях, оптимизации на базе экспериментальных данных и стендовых испытаний структуры, свойств и методов изготовления КМ триботехнического назначения — позволяет создавать материалы, максимально удовлетворяющие эксплуатационным требованиям.

1. На основе анализа литературных данных о применении дисперсно упрочненных КМ в изделиях машиностроения определены востребованность новых материалов и факторы,' сдерживающие их массовое потреблениесистематизированы основные области примененияоценена экономическая целесообразность замены традиционных материалов триботехнического назначения на КМ.

2. Исследованы структура и определены механические свойства дисперсно упрочненных частицами керамики КМ на основе алюминиевых сплавов, полученных по литейным технологиям: методом механического замешиваниячастиц в расплавметодом лигатурметодом реакционного литья, при котором наполнитель синтезируется между исходными компонентами непосредственно в процессе изготовления КМ (т-Бйи) — методом насыпных композиционных брикетов. Установлено, что введение в алюминиевые расплавы дисперсных тугоплавких наполнителей способствует уменьшению дендритного параметра отливок. Модифицирующая роль частиц керамики обусловлена ограничением объемов расплава, в которых проходит ликвация. Частицы металлоподобных карбидов и интерметаллидов оказывают модифицирующее влияние на литую структуру КМ как центры кристаллизации. КМ, получаемые в процессах реакционного литья т-БЙи при добавлении в алюминиевый расплав металлических реакционно активных порошков (Бе, Тл, Ъъ, N1 и др.) характеризуются протеканием интенсивных экзотермических реакций, результатом которых является образование новых армирующих интерметаллидных фаз (чаще всего А13Ме). Саморазогрев матричного расплава в ходе этих реакций позволяет ввести в КМ высокое объемное содержание керамических частиц (более 15 об.%).

3. Уровень механических свойств КМ зависит от механических свойств исходных компонентов — наполнителей и матричных сплавов, объемного соотношения компонентов, фракционного состава и распределения наполнителя в матрице, прочности связи между матрицей и наполнителем. В общем случае модуль упругости и твердость КМ выше, а прочность при растяжении и пластичность КМ ниже, чем у матричных сплавов. Увеличение однородности распределения частиц в матрице отражается на механических свойствах КМ и на эксплуатационных характеристиках: обеспечивается стабильный уровень твердостипрочности, износостойкости, уменьшается возможность ' задира. Установлено, что равномерность распределения армирующей фазы в литых КМ возрастает при лучшей смачиваемости частиц расплавомпри увеличении размера и объемной доли частицпри повторных переплавах КМпри кристаллизации с большой скоростью и под давлением.

4. При проведении стандартных испытаний для оценки литейных свойств КМ установлено, что с увеличением содержания частиц жидкотекучесть композиционных расплавов в сплаве снижается. Температурапри которой достигается оптимальная заполняемость формы, возрастает с увеличением содержания частиц. Значения усадки при введении частиц керамики (до 5% от общего объема КМ) изменяются незначительно, и при расчетах можно оперировать значениями в диапазоне, характерном для матричных сплавов (0,9−1%). При повышении содержания армирующей фазы до 10% наблюдается заметное снижение показателей усадки (до 0,5%). Дисперсно армированные алюмоматричные КМ не обнаруживают склонности к.горячеломкости.

5. Анализ состояния КМ, проверенных на соответствие эксплуатационным требованиям, предъявляемым к деталям, работающим в агрессивных средах, согласно ТУ 4571−120−232 934−97 позволил рекомендовать материал для использования в деталях труб и соединительных деталей тепловых сетей, магистральных газо-, нефтеи водопроводов, включая горячее водоснабжение.

6. Разработаны технологии изготовления КМ в условиях литейного производства, обеспечивающие заданный уровень механических и эксплуатационных свойств: метод лигатур и механического замешивания. Метод введения армирующих элементов в концентрированном виде (порошковыми брикетами) обеспечивает высокоточное регулирование химического состава КМ. Осуществлен вариант полиармирования, позволяющий насыщать материал твердыми смазками заданного содержания (графит 63−100 и 400 мкм).

7. Выявлены особенности механической обработки КМ. Определен выбор режущего инструмента, его геометрии, режимов резания и состава смазочно-охлаждающих жидкостей для достижения требуемых характеристик обрабатываемых поверхностей.

8. По результатам лабораторных испытаний композиционных материалов системы «алюминиевые сплавы — частицы керамики» на трение и износ, сформулированы общие закономерности поведения КМ при' трибонагружении. Армирование матриц высокопрочными, высокомодульными частицами керамики способствует увеличению несущей способности, расширению интервала трибонагружения по допустимым скоростям скольжения, температурам в трибоконтактеувеличению стойкости против схватывания. Все рассматриваемые КМ имеют коэффициенты трения, характерные для антифрикционных материалов (сплавов Бр05Ц5С5, АОМ20−1), но сохраняют их в значительно более широком диапазоне скоростей скольжения и нагрузок.

Формирование на поверхности трения фрактальных структур определяет устойчивое промежуточное состояние, обеспечивающее высокую износостойкость образцов КМ. Ведущий механизм изнашивания на стадии формирования таких структур — абразивный. Абразивное действие могут осуществлять продукты изнашивания — оксиды алюминия, обломки контртела, выкрошившиеся армирующие частицы.

Задиростойкость КМ существенно превосходит таковую образцов из матричных сплавов и антифрикционного сплава АОМ 20−1 (20% Бп, 1% Си, остальное — А1). Наибольшую стойкость против схватывания обнаруживают КМ на базе матричных сплавов, имеющих наиболее высокие значения предела прочности и текучести, а также КМ с полиармированием наполнителями разной природы, в том числе КМ, где интерметаллидный наполнитель получен методом реакционного литья (т-вки).

После проведения термообработки по оптимальному режиму достигнуто повышение износостойкости КМ на основе сплава АМг1 за счет изменения состава и структуры межфазных границ и улучшения качества связи матрица-наполнитель. КМ на основе сплава Д16 изменяют характеристики после термообработки за счет дисперсионного твердения матрицы.

КМ с более прочной матрицей имеют лучшие трибологические характеристики. В полиармированных образцах КМ системы А1−81С-С керамические частицы обеспечивают несущую способность и износостойкостьграфитовый наполнитель, являющийся сухой смазкой, повышает антифрикционные свойства КМ.

Введение

в состав дисперсно наполненных КМ графита 5, об.% снижает коэффициент трения и увеличивает износостойкость материала на 16 25% в зависимости от состава материалов трибопары и условий трибонагружения.

9. Натурные испытания на трение и износ изотропных КМ системы «алюминиевые сплавы — частицы керамики» показали высокую совместимость материалов в трибопарах КМ/сталь и их преимущества перед парой бронза-сталь не только по значениям износа и максимальной рабочей нагрузке, но и по стабильности коэффициента трения в рабочем режиме, а также по устойчивости последнего при возрастании нагрузки. Показано, что увеличение размера и объемнрго содержания частиц в матрице снижает износ деталей из КМ, однако при этом увеличивается износ сопряженного контртела и коэффициент трения. Показана необходимость оптимизации объемного содержания частиц в КМ по условиям эксплуатации. Впервые экспериментально подтверждена возможность применения литых КМ системы алюминиевые сплавы — частицы керамики в узлах трения механизмов и машин в паре со сталью в условиях с ограниченной смазкой и в паре КМ-КМ при трении со смазкой.

10. Определен комплекс внешних воздействий, позволяющих управлять изменением механических и, эксплуатационных свойств КМ. К ним относятся: термическая обработка, пластическая деформация и ИПД. Повысить деформационную способность КМ удается путем оптимизации состава (материал матрицы и частиц, размер частиц) — выбора технологических параметров изготовления КМнанесения технологических покрытий на частицырежимов термической обработки (для дисперсионного твердения матрицы, улучшения межфазных связей, снятия межфазных напряжений). Показаны возможности повышения износостойкости КМ за счет интенсивного пластического деформирования (ИПД) методом кручения под давлением. Метод обеспечивает интенсивное измельчение структуры до субмикронного уровня, что приводит к резкому увеличению прочностных показателей и положительно сказывается на трибохарактеристиках (увеличиваются контактные нагрузки, расширяется диапазон допустимых скоростей скольжения за счет перераспределения структурных составляющих и роста прочности).

11. Решением, отвечающим современным тенденциям в создании г материалоемких конструкций, является изготовление градиентных КМ методами центробежного литья, нанесения композиционных покрытий и прокаткой слоистых пакетов. Методом центробежного литья изготовлены КМ составов алюминиевые сплавы-частицы 8Ю, А1203, В4С, а также полиармированные КМ с частицами 81С+С, А12Оз+С. Разработаны технологии получения биметаллов «КМ — сталь» и «КМ — алюминиевые сплавы» методом плоской прокатки. Результаты экспериментальных исследований по получению биметаллов с рабочим слоем из КМ могут быть использованы при разработке промышленных технологий биметаллических подшипниковых вкладышей. Получены износостойкие покрытия из КМ на основе алюминиевых сплавов, упрочненных частицами карбида кремния, методом электроплазменного напыления.

12. Результаты научного исследования реализованы в реальных изделиях и конструкциях. Разработаны технологии изготовления деталей из КМ для трибоузлов. КМ различных составов на основе практически всех групп 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. Разработаны рекомендации по использованию КМ системы «алюминиевые сплавы — твердые частицы керамики» как в действующих узлах трения, так и в проектируемых. Показаны преимущества пары трения КМ системы «алюминиевые сплавычастицы керамики / сталь» перед парой «бронза / сталь» не только повесовым характеристикам, значениям износа и выдерживаемой нагрузки, но и по стабильности и надежности работы в рабочем режиме. Определены предельные трибопоказатели стабильной работы узлов при разных условиях эксплуатации. Намечены узлы из номенклатуры деталей машиностроения и транспорта, в которых целесообразна замена традиционных материалов рабочих деталей на КМ. Результат исследований и проектные процедуры используются в практике проектирования ООО «Пластметпроект».