Locally reinforced cast composite products with aluminium matrix

Abstract

The article outlines the methodology and results of the experiment on obtaining locally-reinforced products of body of revolution type by the centrifugal method.

Full Text

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. Наиболее технологичным и экономически целесообразным считается механическое замешивание наполнителя в расплав матричного сплава [1]. 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. [2]. Один из весьма перспективных для практического применения вариантов композиционных материалов - получение так называемых функционально- или локально-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. 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 [3]. С целью обеспечения функционального распределения частиц в матрице опробован метод центробежного литья. В результате центрифугирования композиционного расплава получаются градиентные КМ. Такие КМ отличаются наличием пространственно неоднородных структур, благодаря которым материалл приобретает новые свойства. Поверхностные слои с повышенной концентрацией армирующей фазы различной природы и состава организуются за счет направленного перемещения дисперсных частиц в жидкометаллической суспензии. Твердые дисперсные частицы, имеющие плотность большую, чем матричный алюминиевый сплав, перемещаются к наружной стенке формы (изложницы), менее плотные - к оси вращения, на свободную поверхность (во внутреннюю часть отливки). Так, при использовании в качестве армирующего компонента в алюминиевых сплавах (r = 2,7 г/см3) частиц карбида кремния (r = 3,2 г/см3) можно создать градиентные КМ, у которых наружные поверхности будут иметь повышенные жесткость и сопротивление износу, а внутренние сохранять высокие пластичность и вязкость (на уровне матричного сплава), что весьма важно для деталей, работающих в условиях динамического нагружения. При армировании алюминиевых матриц частицами графита (r = 2,23 г/см3), призванными обеспечивать эффект самосмазывания в условиях ограниченной смазки при трении скольжения, можно использовать эффект механического увлечения и выноса легких частиц графита к наружной поверхности образца за счет дополнительного введения частиц наполнителя с большим удельным весом, например, SiC или Al2O3, т.е. осуществить градиентное полиармирование. Рассмотрено влияние наполнителей на изменение литейных свойств алюминиевых сплавов. Так, при проведении стандартных испытаний для композиционных расплавов установлено, что жидкотекучесть, определяемая по длине отлитого столба ø10 мм (ГОСТ 16438-70), с увеличением содержания частиц в сплаве снижается. Значения усадки при введении частиц керамики (до 5% от общего объема КМ) изменяются незначительно, т.е. 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%). 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 [4].