Influence of reinforcing on structure, mechanical and technological properties of composite materials

Abstract

The paper considers influence of reinforcement on the properties of composite materials. The technological regimes provide uniform distribution of particles in a matrix. The influence of fillers on changing the casting properties of aluminum alloys is determined.

Full Text

Введение в алюминиевые расплавы дисперсных тугоплавких наполнителей способствует уменьшению дендритного параметра литой структуры. Частицы керамики не являются центрами кристаллизации, но оттесняются растущими дендритами α - алюминия в междендритные пространства, обогащенные легкоплавкими фазами. Модифицирующая роль частиц керамики обусловлена ограничением объемов расплава, в которых проходит ликвация. Частицы металлоподобных карбидов и интерметаллидов также оказывают модифицирующее влияние на литую структуру КМ, но уже как центры кристаллизации. При добавлении в состав КМ частиц графита последние располагаются преимущественно в междендритных пространствах, а также могут служить подложкой для кристаллов первичного кремния в силуминах. Установлено, что с ростом содержания в КМ частиц керамики и графита измельчение фрагментов структуры усиливается. При увеличениях оптического микроскопа видно, что частицы керамики сохраняют скольные формы, т.е. жидкофазный процесс не вызывает деградации армирующей фазы (рисунок 1). С другой стороны, отсутствие пустот и пор на границах раздела свидетельствует об удовлетворительной межфазной связи «наполнитель-матрица».Распределение частиц в матрице зависит от их природы и условий затвердевания композиционных отливок. При увеличении скоростей затвердевания литая структура матриц оказывается более дисперсной, частицы распределяются в матрице более однородно. Полиармирование КМ, или введение в матрицу частиц разной природы, осуществляют с целью расширения эксплуатационных возможностей КМ. Рисунок 1. Характерная микроструктура КМ: а - АК12+5%SiC(28), б - АК12+15%SiC(14), в - АК12+5%Al2O3(40) +2,5%C(63…100), г - АК12+5%SiC28+5%TiB2 Так, в КМ состава АК12-Al2O3-C керамические частицы обеспечивают несущую способность и износостойкость; графитовый наполнитель, являющийся сухой смазкой, вводится в состав КМ для понижения коэффициента трения, при этом нарушения сплошности материала отсутствуют (рисунок 1, в). КМ, получаемые в процессах реакционного литья in-situ при добавлении в расплав металлических порошков (Fe, Ti, Zr, Ni и др.), характеризуются протеканием интенсивных экзотермических реакций, результатом которых является образование новых армирующих интерметаллидных фаз (чаще всего Al3Ме). На рисунке 2. приведены структуры КМ с металлической матрицей из технического алюминия и упрочняемого термической обработкой сплава Д16 с добавлением в качестве реакционного компонента порошков Ti. Видно достаточно равномерное распределение в матрице фазы Al3Ti, кристаллы которой имеют в основном форму равноосных прямоугольников, иногда со скругленными гранями, реже - игл. Размер кристаллов интерметаллидов вырастает с увеличением температуры расплава и длительности выдержки расплава до разливки. Интерметаллидные армирующие фазы позволяют повысить термическую стабильность КМ благодаря формированию поверхностей раздела интерметаллид/матрица с когерентной или полукогерентной структурой. Экзотермические реакции между расплавом и вводимыми реакционно активными порошками позволяют осуществить полиармирование и ввести в матрицу большое количество керамического наполнителя (рисунок 2, б). Рисунок 2. Структуры КМ, получаемые в процессах in-situ: а - Аl+7,5%Al3Ti, б -Д16+7,5%Al3Ti+15%SiC(28) Рисунок 3. Структуры КМ, полученных центробежным литьем на установке ВлГУ по режиму: частота вращения формы вокруг вертикальной оси n =1250 мин-1; температура изложницы 200 … 210°С; температура композиционного расплава - 750 … 760°С, время обработки в форме - 2…3 мин: а - АК12-10%Al2O3(40) (х200); б - АК12-10%Al2O3(40)+2,5%С(400мкм) (х100) С целью обеспечения функционального распределения частиц в матрице опробован метод центробежного литья. В результате центрифугирования композиционного расплава получаются градиентные КМ (рисунок 3). Выводы Такие КМ отличаются наличием пространственно неоднородных структур, благодаря которым материал 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). 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.