» » Макрогетерогенные композиты, армированные гранулами
16.12.2014

Разнообразие армирующих элементов и матриц, способов литья композиционных материалов обеспечили получение изделий с высокими потребительскими свойствами. Ведущее место как в производстве, так и в потреблении занимают армированные ЛКМ. Первоначальная высокая стоимость армирующих элементов, которая теперь неуклонно снижается, определила некоторые приоритетные области потребления ЛКМ. Это авиационная и космическая техника, энергетическое и специальное машиностроение, в которых удельный вес потребления литых композиционных материалов продолжает оставаться высоким, несмотря на расширение потребления ЛКМ в других отраслях техники. Например, конструкционных, износостойких, подшипниковых материалов в металлургии, машиностроении, горнодобывающей промышленности, автотракторостроении и других.
ЛКМ с алюминиевой и магниевой матрицей в основном нашли широкое применение в конструкциях авиационной и космической техники. Разработаны детали газотурбинных двигателей (лопатки вентиляторов и компрессоров), армированные различными волокнами. Например, борными, которые по своим свойствам превосходят монолитные титановые детали. Аналогичные результаты получены при армировании алюминиевых сплавов волокнами борсика. Для этих целей сердечник лопатки выполнялся из слоев, армированных волокнами по радиусу диска, а наружная часть (40 % лопатки) из перекрестно армированных под углом 45° к основе слоев. Такое армирование позволило на 40 % уменьшить массу изделия и за счет оптимального выбора конструкции поэлементно распределить нагрузки. Радиальные волокна несут центробежные нагрузки, а перекрестно армированные — скручивающие. В этой же работе отмечается, что по сравнению с другими известными композиционными материалами данные обладают следующими достоинствами: высокой тепло- и электропроводностью, восприятием различной отделки и гальванической обработки, низкой газопроницаемостью, сравнительно высокой поперечной прочностью и модулем упругости.
Применение литейных технологий для изготовления композитов алюминий — бор (борсик) снижает их прочность по сравнению с прочностью композитов, изготовленных твердофазными методами. Поэтому для указанных композитов практикуется смешанная схема производства. Пропиткой формируются бороалюминиевые заготовки, из которых затем изготавливаются изделия твердофазными или жидкофазными методами. Низкие прочности ЛКМ при растяжении характерны и для композитов системы алюминий — волокна карбида кремния, которые методами литья почти не производятся. Для получения этих ЛКМ предстоит решить задачу оптимизации технологии пропитки пучков волокон при их равномерном размещении в объеме матрицы и определить оптимальное соотношение содержания арматуры и матрицы.
В настоящее время лучшей технологией формирования ЛКМ из алюминия—бора (борсика) и алюминия — карбида кремния является непрерывная пропитка, ограничивающая время контакта волокна и расплава, или пропитка под давлением.
Свободными от указанных недостатков и потенциально обладающими наиболее высокими эксплуатационными характеристиками являются углеалюминиевые композиции. Возможность непосредственного смачивания армирующих элементов алюминиевыми матрицами при температурах свыше 1000 °C или снижения температуры смачивания за счет нанесения специальных покрытий, которые одновременно защищают волокна, обеспечивают производство углеалюминиевых композитов жидко-фазными методами. Литье (пропитка) под давлением позволяет реализовать процесс формирования ЛКМ, в котором не происходит разупрочнения армирующих элементов.
Повышение износостойкости, термостойкости и, связанных с ними, других эксплуатационных характеристик деталей цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания достигается армированием алюминевых сплавов дискретными волокнами и нульмерными частицами. Наиболее удачными для получения таких армированных изделий являются способы литья с импеллером, под давлением и вакумная пропитка. Эти способы обеспечивают введение заданного (до 25 %) количества армирующей фазы (преимущественно TiC, WB, ZrO2, SiC, Al2O3, SiO2), что позволяет повысить механические свойства алюминиевых сплавов, увеличить износостойкость, понизить трудоемкость изготовления за счет улучшения качества литой поверхности.
Увеличение рабочих температур двигателей за счет повышения тепло- и жаростойкости деталей ведет к уменьшению размеров, росту общей и удельной мощности, снижению расхода топлива. Поэтому все более широкое применение находят армированные ЛКМ на основе жаростойких материалов (металлов и неметаллов). Хотя данных по композиционным материалам, обладающим повышенной жаростойкостью, в настоящее время мало, можно отметить, что одними из основных направлений их создания являются технологические способы литья.
Увеличение срока службы машин и механизмов может быть достигнуто при управлении процессом структурообразования рабочего слоя деталей. Одним из эффективных способов является получение износостойкой рабочей поверхности за счет применения композиционных материалов.
Армирование чугунных отливок стальной проволокой или сетками позволяет предохранить изделия от хрупкого разрушения, увеличить временное сопротивление разрыву в 2 раза, прочность на изгиб в 2,5 раза и термостойкость в 1,5 раза. В частности, такой способ изготовления изделий с литым композиционным слоем оправдал себя при изготовлении кокилей и пресс-форм.
Хорошие результаты повышения стойкости землеройного, землесосного, дробильного и размольного оборудования, которое в процессе работы подвержено абразивному и ударно-абразивному износу, получены при армировании сталей 35Л и 110Г13Л высокохромистыми чугунами. Армирование рабочей поверхности осуществляется при изготовлении отливки постановкой в литейную форму армирующих вставок. Наибольшая износостойкость армированного литого материала наблюдается тогда, когда между армирующими элементами и матрицей формируется металлургическая связь.
Различные способы армирования литых изделий, в частности, рабочих поверхностей могут применяться практически для любого металла и любой конфигурации отливки. В работах показана эффективность применения армирующих вставок (пористых металлокерамических оболочек ПМКО), изготовляемых из смесей сормайта, железа и твердого сплава для упрочнения изделий, которые работают в условиях трения, сухого, абразивного износа, в контакте со слабо агрессивной средой, при повышенных температурах. Оболочки ПМКО изготовляют методом твердофазного спекания шликера (термопластичные пасты) при температуре 1000—1070 °C в нейтральной атмосфере. Пористость готовых оболочек изменяется от 40 до 60 %. После постановки такой оболочки в литейную форму и заливки чугуном при температуре 1400—1430 °C на отливке формируется композиционный слой, равный толщине ПМКО. При формировании композиционного слоя ведущим процессом является взаимодействие твердой и жидкой фаз (взаимная диффузия компонентов расплава). После литья армирующие элементы сохраняют заранее заданное регулярное расположение. При этом зерна железного порошка приобретают мартенситную структуру, сормайт разрыхляется, чугун теряет значительную часть углерода и матрица приобретает перлитную структуру без пластинчатого графита. Получение таких композиционных отливок позволило повысить стойкость инструмента для развальцовки горячего стекла, кулачковых валиков, корпусов гидроаппаратуры в 1,8—2,0 раза. Одновременно при применении композиционного литья с ПМКО для указанных изделий отпадает необходимость в использовании высоколегированных чугунов (матрица по химическому составу соответствует обычным конструкционным чугунам) и исключается химико-термическая обработка отливок. Применение литья в керамизированные формы этих ЛКМ полностью устраняет механическую обработку поверхности. Размерная точность отливок соответствует 15 квалитету CT СЭВ 145—75 при шероховатости по 6 классу (ГОСТ 2789—73).
Применению ПМКО оболочек в сочетании с монолитными армирующими элементами позволяет изменить технологию производства буровых шарошек и заменить многостадийный цикл изготовления только техпроцессом литья. Интерес представляет также получение различных литых подшипников, в которых элементы твердой фазы изготовляются по ГПСМО-процессу.
В ряде случаев при изготовлении деталей пластмассоперерабатывающего оборудования возникает необходимость упрочнения отдельных участков деталей, подверженных динамическим нагрузкам, без существенного изменения самой технологии изготовления. К таким деталям относятся тела фильтров и центрифуг, изготовляемые из сеток нержавеющей стали типа 18-8, агрегатов для подводного гранулирования термопластов и экструзионных линий. Нами совместно с сотрудниками УкрНИИпластмаш ПО «Большевик» в местах соединений по образующей и торцам полотен фильтров и центрифуг были сформированы участки с литой армированной композиционной структурой. С учетом требований по прочности сеток (разупрочнение при нагреве) нами в качестве матрицы были выбраны медноцинко-индиевые сплавы. Лучшие результаты получены при пропитке нержавеющей сетки, когда она погружается в расплав матрицы через расплав флюса. Задание размеров ванн флюса и матрицы, контроль скорости и времени погружения сетки и температуры обеспечили формирование ЛКМ заданных размеров. Для участков длиной 1—3,5 м при минимальном времени погружения матричный сплав равномерно заполнял стыковые соединения и ячейки сетки, не выходя за пределы ванны расплава, что позволило в дальшейшем отказаться от механической обработки. Многократные эксперименты показали хорошую воспроизводимость процесса, а промышленные испытания и эксплуатация — достижение необходимой эксплуатационной надежности при снижении трудоемкости изготовления данных деталей.
Другим примером использования технологии формирования армированных ЛКМ может служить изготовление опытных образцов многоканальных фильер, работающих в условиях высокого давления (до 15 МПа), температур (до 400 °С), в контакте с расплавами различных синтетических материалов. До настоящего времени тела таких изделий изготовлялись из жаропрочных сплавов, а формирующие элементы о отверстиями — из твердых сплавов, которые закреплялись в корпусах
На основе опыта разработки литых макрогетерогенных композиционных материалов нами предложено изготовлять их из ЛМКМ, а формующие элементы — из керамики на основе Al2O3. Подбором соотношения армирующих элементов и матрицы были установлены условия, когда полые вставки (трубки из керамики) надежно фиксируются и соединяются с телом отливки. Для повышения смачивающей способности сплав матрицы на основе меди дополнительно легировался цирконием и хромом. Одновременно такое легирование повышало теплостойкость матрицы.
Многоцикловые нагревы образцов данных ЛКМ до температур 450 °C при приложенном давлении до 15 МПа показали, что поставленная цель достигается. Расслоений и разрушений композита нет.
Ранее уже отмечалось, что совершенствование производства литых высокопрочных гранул обеспечило разработку нового класса армированных ЛКМ-литых макрогетерогенных композиционных материалов, которые по своим физико-механическим и физикохимическим свойствам позволяют решить многие технические задачи при создании изделий различного назначения, при соответствующем подборе армирующих элементов и сплавов матриц.
Отливки ЛМКМ в основном получаются заливкой гетерогенного расплава, свободной заливкой, изотермической и неравновесной пропиткой, центробежным литьем в металлические, керамические, графитовые и песчано-глинистые формы.
Для армирования применяется стальная и чугунная дробь, гранулы твердых сплавов и керамические гранулы, стеллит, рэлит, ВК-6, сормайт и др. В качестве матриц — сплавы меди, никеля, стали, чугуны различного состава. С целью улучшения условий формирования ЛМКМ на армирующие элементы могут наноситься металлические или неметаллические покрытия, они также могут обрабатываться в расплавах флюсов. Матрицы легируются активными элементами III и IV групп периодической системы. Наряду в улучшением смачивающей способности расплава эти технические приемы позволяют уменьшить литейную усадку при кристаллизации и диффузионное взаимодействие на границе раздела армирующие элементы — матрица.
Технологический процесс изготовления ЛМКМ-изделий состоит из следующих основных операций: предварительная обработка литых гранул, включающая очистку и плакирование дроби в порошках пластичных металлов или флюсов; приготовление шихты из армирующих элементов и в случае необходимости твердой смазки; засыпка шихты и покровного флюса в литейную форму; подогрев и выдержка собранной формы в термической печи при заданной температуре; заливка (пропитка) арматуры расплавом матричного сплава; извлечение формы из печи, охлаждение, разборка, извлечение отливки; термическая и механическая обработка заготовки. Данный технологический процесс может быть несколько видоизменен. Например, в состав шихты вводится навеска матричного сплава, форма в сборе помещается в термическую печь и выдерживается при заданной температуре в течение времени, достаточного для нагрева, расплавления матрицы и заполнения формы расплавом. Форма с армирующими элементами может разогреваться не только в термической печи, но и при заливке первого конструкционного слоя жидким металлом с последующей заливкой прогретой формы расплавом матрицы. До заданной температуры армирующие элементы могут нагреваться перепуском через форму расплава флюса или при введении в состав покровного флюса экзотермических смесей, которые дают вспышку при контакте с расплавом матрицы и в результате взаимодействия с плавящимися компонентами флюса. Одна из наиболее простых схем литья ЛМКМ представлена на рис. 47.
Макрогетерогенные композиты, армированные гранулами

Высокая плотность отливок композиционных материалов может быть получена методом центробежной заливки. При центробежном литье с горизонтальной осью вращения формы в нее загружаются армирующие элементы и шихта матрицы, горцы закрываются крышками, индуктор, производящий нагрев, смещается к одному из торцов, после чего при одновременном вращении формы начинается ее равномерный разогрев перемещающимся индуктором.
По другой технологической схеме расплав матрицы под слоем покровного флюса может подаваться в нагреваемую форму с армирующими элементами через отверстие в торцевой крышке, расположенное по оси вращения.
Исследования, выполненные совместно с сотрудниками УкрНИИпластмаш показали, что для литья макрогетерогенных композиционных втулок диаметром до 300 мм с толщиной стенки до 60 мм может использоваться машинный генератор частотой 8000 Гц с 3—6 витковым индуктором, который перемещается со скоростью (5—8) 10в-4 м/с. При центробежной заливке ЛМКМ появляются дополнительные факторы, влияющие на формирование отливки, — разность плотностей элементов структуры композита и скорость вращения формы. С использованием различных армирующих элементов (гранулы стали ШX15, чугуна, рэлита, сормайта, а также железа и др.) матрицы медных, никелевых и железоуглеродистых сплавов были разработаны ЛMKM различного назначения. Рассмотрим некоторые примеры опытно-промышленной проверки и практического применения деталей из литых макрогетерогенных композиционных материалов.
Проводилось промышленное испытание нулевой опорной секции МНЛЗ с роликами диаметром 150 мм из ЛMKM бронза — дробь стали ШХ15. На этой же секции по малому и большому радиусу устанавливались серийные подшипники качения №212. Через нулевую секцию было проведено 500 плавок и разливок. Подшипники скольжения и ролики, установленнные на этих подшипниках, были вполне работоспособными, ролики имели износ в проделах нормы. Подшипники качения № 212 и ролики, установленные на этих подшипниках, имели, среднюю стойкость 160—180 плавок, при максимальной — 250 плавок. На основании результатов сравнительных промышленных испытаний можно заключить, что ЛMKM-подшипники более работоспособны, чем серийные № 212, и вследствие увеличения ресурса работы подшипников скольжения увеличивается стойкость роликов нулевых секций.
Промышленные испытания втулок из композиционных материалов, разработанных в ИПЛ АН Украины на прессах моделей RC Н20, RC Н60 японского производства, показали следующее. Втулки проработали 14 мес. без замечаний и продолжают работать. Срок службы серийных деталей в прессах указанных марок (металлокерамических японского производства), а также из бронзы 05Ц5С5 составил 2—3 мес. Таким образом, долговечность втулок из ЛМКМ в этих узлах в 4,5—7 раз выше, чем обычно применяемых деталей.
В 1983 г. в 20-тонных прессах холодной штамповки были установлены опорные подшипники из ЛМКМ латунь — гранулы стали ШX15. Срок службы стандартных подшипников из бронзы 05Ц5С5 составляет 12 мес. Установленные композиционные подшипники проработали до 1988 г., когда указанные прессы были демонтированы. Следовательно, в этом случае их эксплуатационная надежность оказалась в 5 раз выше надежности серийно применяемых.
Интересен опыт применения деталей из ЛМКМ в узлах, работающих в условиях коррозионной среды, повышенных температур, ограниченной подачи смазки или вообще без нее.
Срок службы монолитных опорных втулок трубосварочных агрегатов, изготовленных из сталей ШХ9 или ШX15, исчисляется 6—8 ч. Кроме того, из-за действия токов наводки неоднократно происходил неравномерный разогрев опорных втулок, который вызывал перекос и заклинивание роликов. Применение деталей из ЛМКМ на основе бронзы КЗМц1 позволило в 14 раз увеличить срок службы опорных втулок и полностью исключить заклинивание роликов.
Совместно с сотрудниками УкрНИИпластмаш были разработаны и опробованы составы ЛМКМ на основе стальных и чугунных гранул с матрицей из сплава медь — цинк — индий. Испытание и применение этих композитов в парах трения с контртелами из закаленной стали 45 показали, что износостойкость композитов в 2—5 раз превосходит износостойкость бронз 05Ц5С5 и А9Ж4, а их коэффициенты трения одинаковы. Применение центробежного индукционного и изотермического литья применительно к реальным деталям, пластмассоперерабатывающих машин (например, втулок выдувных агрегатов) позволяет повысить рабочий ресурс этих машин, а также сэкономить до 60 % меди при изготовлении деталей узлов трения. Необходимо отметить, что разработанные технологии формирования ЛMKM позволяют не только изготовлять новые детали, но производить ремонт и восстановление уже бывших в работе и вышедших из строя. Так разработана и опробована технология восстановления чугунных деталей макрогетерогенными композиционными материалами на основе латуней, исключающая разрушение и оплавление деталей в процессе литья рабочих слоев ЛMKM (например, такими спобами были восстановлены цилиндры двигателей А-04). Применение технологии восстановления деталей литыми макрогетерогенными композиционными материалами одновременно повышает их ресурс. В частности этот способ применялся для восстановления колес центробежных нефтяных насосов. Сравнительные испытания на непромытой скважине в условиях Тюменского нефтяного месторождения показали высокую эксплуатационную надежность восстановленных деталей.
Такие же результаты (повышение ресурса работы в 3—9 раз) были получены при использовании литых макрогетерогенных деталей в узлах насосов моющих машин (перекачка агрессивных сред, содержащих щелочи и эмульгаторы), троллей транспортеров, работающих в биологически активных средах.
Испытания литых макрогетерогенных композиционных материалов, армированных высокохромистыми чугунными литыми гранулами, с матрицами из железоуглеродистых сплавов (сталь 35Л и чугун СЧ21-40), проведенные по ГОСТ 23.208—79, показали их высокую стойкость к абразивному износу. Применение этих материалов как элементов конструкций деталей почвообрабатывающих машин позволило, как минимум, в 2 раза увеличить их ресурс.
Стендовые испытания подшипников скольжения для опор шарошечных долот показали перспективность применения подшипников из литого макрогетерогенного композита бронза КЗМц1—гранулы стали ШХ15. Для серийного (базового) долота Ш295 3С-ГН определены следующие показатели: проходка на долото — 50 м, механическая скорость — 3 м/ч Для новой конструкции долота Ш295 3С-ГН с концевым подшипником из ЛMKM на основании испытаний были приняты следующие показатели: проходка на долото — 60 м, механическая скорость — 3,15 м/ч. Увеличение показателей бурения обусловлено повышением долговечности концевого подшипника из композиционного материала.
Особое место в литых армированных композиционных материалах занимает производство стали АКМ, которая при динамических нагрузках проявляет свойства композитов, а при статических — монолитных материалов и позволяет существенно повысить служебные свойства многих изделий.
В последнее время большое внимание уделяется литым дисперсно-упрочненным материалам, получаемым введением в расплавленный матричный металл или сплав порошкообразных частиц или коротких волокон тугоплавких соединений карбидов, нитридов, боридов, окислов таких металлов как титан, вольфрам, цирконий, ниобий, кремний, алюминий и т. д. Применение литейной технологии открывает возможности экономичного промышленного получения деталей сложной конфигурации из композитов с повышенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками. Важнейшей технологической операцией, обеспечивающей успех всего производственного цикла, является ввод порошка в расплав, равномерное распределение армирующих частиц в объеме расплава и сохранение такого распределения в готовом изделии. Для обеспечения равномерного распределения, предотвращения возможной сегрегации частиц, их столкновения и коагуляции применяются различные способы ввода порошков с использованием механических, электромагнитного или ультразвукового воздействия, плавки предварительно подготовленной шихты.
Для обеспечения равномерного распределения армирующих частиц в объеме отливки предлагается вводить порошкообразные материалы, дозируемые в процессе заполнения литейной формы. При этом, для повышения однородности распределения тугоплавких частиц, улучшения качества композиционных отливок применяются специальные приемы. Так, по технологии частицы карбида вольфрама размером не более 15 мкм предварительно смешиваются с порошком матричного сплава, смесь гранулируется в гранулы размером не меньше 44 мкм. Гранулы подаются в струю жидкого металла (например, чугуна), заливаемого в форму. Они не всплывают на поверхность расплава, а рассредоточиваются по объему отливки. Матричный сплав гранул расплавляется и частицы карбида вольфрама оказываются распределенными в теле отливки. Предлагаемый способ может использоваться, например, при центробежном литье биметаллических прокатных валков для получения износостойкости наружного слоя отливки.
Для предотвращения резкого падения температуры и нежелательного увеличения вязкости расплава вследствие ввода порошка частицы предварительно нагреваются. По одному из предлагаемых способов частицы карбида вольфрама величиной 150—250 мкм нагреваются в атмосфере инертного газа до температуры 800—1000 °C и затем с помощью лотка вводятся в жидкий чугун, заливаемый в форму центробежной машины по желобу. Химический состав износостойкого чугуна, %: С — 3,37; Si — 0,81; Mn — 0,67; Ni — 4,46; Mo = 1,58. Внутренний диаметр изложницы — 220 мм, длина 100 мм. Для загрузки используется 16,5 кг порошкообразного материала и 100 кг жидкого металла; температура заливки — 1600 °С.
Для получения более однородной и совершенной структуры литого композита используется наложение внешнего давления для пропитки частиц матричным расплавом, тугоплавкие частицы замешиваются в жидкий металл. Так для получения композиционных магнитных материалов порошки магнитных сплавов 10НДК24, 10НДК35Т5 при интенсивном перемешивании вводился в жидкие сплавы Zn — 5 %; Sn — 10 % и другие в количестве до 80 % по объему. Ввод осуществлялся с помощью специальной плавильно-смешивающей установки, имеющей емкость тигля 4000 см3, с рабочей температурой до 900 °С. Скорость вращения смешивающих лопастей 400—500—600 об/мин. Для удобства отбора литейной композиции из тигля перемешивание расплава осуществляется в одной половине тигля лопастями, а перемешивание во всем объеме — вращением самого гигля. Плавка и перемешивание осуществляются в атмосфере аргона. Для получения заданного композита шихта в тигле расплавляется, затем полученный расплав охлаждается до температур образования первых дендритов. В жидкотвердый расплав опускаются лопасти и он интенсивно перемешивается. Это приводит к разрушению дендритов, их обламыванию, измельчению, к частичному смыванию и оплавлению вторичных ветвей дендритов, в результате чего сильно измельчается первичная структура, а в некоторых случаях образуются глобулитные структуры. После такой обработки в сплаве содержится 10—50 % твердой фазы. Продолжая перемешивание, в расплав вводятся порошки тугоплавкий материалов. Перемешивание ведется по получения однородной смеси, которая заливается в кокиль или под давлением. Отливки содержат равномерно распределенные в основном сплаве частицы фазы — наполнителя.
В работах приведено следующее уравнение получения литейных композиций:
Макрогетерогенные композиты, армированные гранулами

где m — масса одной вводимой частицы, кг, dx/dτ — скорость частиц при вводе, м/с, р — давление на расплав, МПа; V — объем системы, м3; σ — поверхностное натяжение расплава, Дж/м2; S — поверхность контакта частицы с расплавом, ма; Θ — краевой угол смачивания частиц расплавом, μ — химический потенциал поверхностно-активной добавки на поверхности; dms — избыток поверхностно-активной добавки на поверхности; σп — предел прочности на растяжение оксидной пленки на поверхности расплава, МПа; δ — толщина оксидной пленки, м. Недостаток этого уравнения в том, что составлено без учета взаимодействия частиц, однако, по мнению авторов, это позволяет с достаточной надежностью определить предварительно необходимые скорости перемешивания. С помощью описанного выше оборудования удалось получить литые композиты с высоким содержанием твердой фазы (до 80 %). Исследования показали, то такие материалы имеют величину магнитной энергии на уровне 1,5*10в6 — 2,0*10в6 Гс. э. Наряду c хорошими магнитными характеристиками литые композиты обладают высокими механическими свойствами. Последнее особенно важно, так как традиционные магнитотвердые сплавы хрупки и чрезвычайно трудно поддаются механической обработке. Композиционный магнитный материал легко обрабатывается резанием, может подвергаться ковке и штамповке. Постоянные магниты из такого материала могут наши широкое применение в целом ряде приборов, машинах и аппаратах, испытывающих высокие динамические нагрузки и вибрацию.
В работе приведены данные о свойствах литых композитов на основе поршневых сплавов AЛ25 и КС740, армированных дисперсными частицами TiC, WB, ZrO2, SiC, Al2O3, SiO2. Оптимальная температура ввода частиц 650—700 °С. Исследования показали, что в зависимости от природы армирующих частиц, их размера, количества, условий ввода наблюдаются различные типы распределения включений. Наилучшими свойствами обладают композиты, в структуре которых наблюдается некоторое поверхностное взаимодействие между армирующей фазой и матрицей. Твердость литого композита, армированного дисперсными частицами TiC, ZrB2 при различных температурах существенно выше, чем традиционного сплава КС740. Износостойкость в среднем повышается в 1,5 раза. Такие композиционные материалы рекомендуются прежде всего для упрочнения поршневых сплавов, предназначенных для деталей высокофорсировапных двигателей.
В работе рассмотрены литые композиты на основе алюминия, упрочненные Al2O3 (до 10 % по массе), TiC (до 50 % по массе) и другими тугоплавкими частицами размером 1,8—8,0 мкм. Сформулированы основные требования, предъявляемые к армирующим частицам: достаточная тугоплавкость (Тпл≤Тпл.4≤0,6) и стабильность в матрице; низкая межфазная энергия на границе раздела расплав—частица (краевой угол смачивания при температуре плавления матрицы 70—90°); незначительное отличие частиц по размеру (до 8 раз); соизмеримое значение плотности частиц и расплава сплава—матрицы (ρж/ρ2 = 0,5... ...2,0).
Наиболее технологичным способом получения литых композитов на основе алюминиевых сплавов, позволяющим с помощью несложного технологического оборудования получать сплавы, содержащие до 50 % упрочняющих частиц размером 1—8 мкм, является способ плавления смеси порошков. Введение в алюминий дисперсных частиц повышает его прочность и пластичность, уменьшает коэффициент линейного расширения, причем степень изменения этих характеристик зависит от количества, размера и типа упрочняющих элементов. Помимо упрочнения дисперсные частицы композита оказывают сильное рафинирующее и модифицирующее действие, уменьшают ликвационные процессы при кристаллизации отливок. Разработана технология получения композитов типа алюминий — графит, алюминий— карбид кремния, магний — графит. Основным ее требованием является обеспечение тесного первоначального контакта между упрочняющими частицами и расплавленным металлом, что достигается внедрением частиц в полностью или частичнорасплавленный металл или инфильтрацией под давлением базового расплава через армирующие элементы. Для получения смачиваемости последние покрываются специальными покрытиями. Предлагаются следующие способы введения частиц в расплав: ввод или вдувание частиц в сильно возмущенный частично или полностью расплавленный металл; рассеивание брикетов или таблеток в слабо возмущенном расплаве; добавка частиц в виде порошка в расплав под воздействием ультразвука или электромагнитного перемешивания; центробежное рассеивание частиц в расплаве.
Представляет интерес метод получения литых композитов, при котором армирующие частицы предварительно (до пропитки матричным расплавом) размещаются в полости литейной формы. Заданная схема и другие параметры армирования обеспечиваются с помощью специальных технологических приемов армирующие частицы вводятся в пенополистироловые модели в процессе их изготовления; частицы и порошки волокна (например SiC) диаметром 2—3 мкм и длиной 1 мкм спекаются в единый каркас по режиму, обеспечивающему достаточно прочную связь армирующих элементов с матрицей; тугоплавкие частицы предварительно спекаются в гранулы большего размера, которые после заливки матричного сплава расплавляются с образованием армирующей фазы требуемой дисперсности. Эти приемы позволяют армировать деталь как во всем ее объеме, так и отдельные ее части и поверхности. Поверхностное армирование — перспективный способ повышения износостойкости и, следовательно, долговечности машиностроительных деталей. При армировании отливок с вертикальными стенками столкнулись с возникновением такого дефекта как сегрегация тугоплавких частиц. Для предотвращения этого нежелательного явления разработан способ, который заключается в выравнивании плотностей расплава и порошковой смеси. Для этого использовались порошки, состоящие из частиц WC и Cr3C2 в соотношениях, обеспечивающих плотность частиц 7400 кг/м3. Установленные температурно-временные режимы агломерирования карбидных порошков использовались при разработке технологии изготовления вытяжных штампов с рабочим поверхностным слоем, армированным частицами Cr23C7. Упрочнение рабочих поверхностей быстроизнашивающихся деталей частицами карбидов вольфрама и титана позволило в 2,9 раза повысить срок службы шарнира трактора ДТ-75М, в 2,4 раза увеличить срок службы нарамников сеялки ССТ-12Б, упрочить ряд деталей ремонтно-эксплуатационного оборудования.