Источник:Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Актуальность работы. Градиентные композиционные материалы (ГКМ) на базе алюминиевых сплавов, армированные керамическими частицами, перспективны для широкого применения в узлах машин и механизмов благодаря сочетанию уникальных свойств: ультралегкости, высокой удельной жесткости и прочности, размерной стабильности, износостойкости и др. Области использования металлических градиентных композиционных материалов непрерывно расширяются. Известны примеры успешной работы таких ГКМ в составе пар трения скольжения. При этом износостойкость КМ значительно выше, чем подшипниковых бронз или антифрикционных силуминов. ГКМ на основе металлической алюминиевой матрицы имеют большой потенциал применения в легковесных деталях автомобилей, тракторов, комбайнов и других сельскохозяйственных машин. Помимо улучшения технических характеристик многих ответственных деталей, использование КМ на базе алюминиевых сплавов способно обеспечить снижение их массы на 20 –30 %. Широкое применение получили детали типа «втулка». Структура поверхностного слоя ГКМ влияет на износостойкость контртела, так как армирующие элементы ГКМ, повышая твердость поверхностного слоя с одной стороны, могут привести к микрорезанию контртела при испытаниях на износ. Механическая обработка деталей из ГКМ не позволяет получить оптимальную микрогеометрию, твердость и плотность поверхности. Эффективным направлением, позволяющим одновременно повысить твердость и улучшить микрогеометрию поверхностного слоя, является финишная электромеханическая обработка (ФЭМО) поверхности. ГКМ изготавливают чаще всего методами порошковой металлургии, спеканием градиентных порошковых смесей или инфильтрацией специально собранных порошковых каркасов переменного состава. Центробежное литье как способ изготовления анизотропных структур известен из публикаций, однако возможность получения заданного дизайна наполнителя в дисперсно наполненных КМ и влияние градиента распределения наполнителя на работоспособность литых ГКМ неизученными.
Целью работы является разработка технологии повышения износостойкости деталей типа «втулка», изготовленных из градиентных композиционных материалов центробежным литьем на основе матрицы из алюминиевого сплава АК12, армированной керамическими частицами различной природы, состава и упрочненных электромеханической обработкой. Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследования, приведены научные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследований» проведен анализ способов получения градиентных композиционных материалов на алюминиевой матрице, дан анализ возможности применения градиентных композиционных материалов для изготовления деталей типа «втулка». Представлено описание функциональных градиентных материалов (ФГМ), приведены способы получения градиента состава в объемном градиентном композиционном материале (ГКМ). Описан способ получения отливок методом центробежного литья. Дан обзор современных представлений о физико-химических, механических и трибологических свойствах ГКМ. Дан обзор существующих способов повышения износостойкости и микротвердости поверхностного слоя втулок. Исследования и разработка методов повышения износостойкости поверхностного слоя деталей машин и механизмов сельскохозяйственной техники нашли свое отражение в работах В.И. Балабанова, А.Н. Батищева, Ф.Х. Бурумкулова, И.Г. Голубева, В.А. Евграфова, М.Н. Ерохина, С.П. Казанцева, В.Ф. Карпенкова, В.М. Кряжкова, В.П. Лялякина, Е.А. Пучина, В.В. Стрельцова, С.К.Федорова, Л.В. Федоровой, В.И. Черноиванова и других ученых Анализ способов получения композиционных материалов на алюминиевой матрице описан в трудах Т.А. Чернышовой, Л.И. Кобелевой и других. Описаны способы повышения износостойкости деталей из градиентных композиционных материалов на алюминиевой матрице. В соответствии с поставленной целью в работе определены следующие задачи исследования:
Во второй главе «Теоретические исследования» обоснован выбор способа получения втулок из градиентных композиционных материалов на алюминиевой матрице. Для этого рассмотрели процессы, определяющие перемещение матричной жидкости и армирующих частиц при вращении формы вокруг вертикальной или горизонтальной оси. Дисперсная частица, погруженная в жидкий металл и вращающаяся вместе с ним, находится под действием силы гидростатического давления, направленной к оси вращения и равной центробежной силе, развиваемой вытесненным объемом расплава.