Влияние армирования на структуру, механические и технологические свойства КМ

Аннотация

В статье рассмотрено влияние армирования на свойства композиционных материалов. Приведены технологические режимы обеспечивающие равномерное распределение частиц в матрице. Определено влияние наполнителей на изменение литейных свойств алюминиевых сплавов.

Полный текст

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.