Министерство образования и науки Республики Казахстан Карагандинский государственный технический университет     Утверждаю Первый проректор ____________ Исагулов А.З. «____» _________ 2014г.           УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ  ПРЕПОДАВАТЕЛЯ   по дисциплине «Теория и технология обработки композиционных материалов»   для студентов специальности 050710 «Материаловедение и   технология новых материалов»   Факультет   машиностроительный   Кафедра МЛП и КМ 2014г.

Учебно-методический комплекс дисциплины преподавателя разработан: к.т.н., доц. Кипнис Л.С. ст.преподаватель Медведева И.Е.   Обсужден на заседании кафедры МЛП и КМ Протокол № _______ от «____»______________2009 г.   Зав. кафедрой ________________         «____»____________2009 г.       Одобрен методическим бюро машиностроительного факультета Протокол № ________ от «_____»_____________2009г.   Председатель________________       «____»____________ 2009г.

1 Рабочая учебная программа

 

1.1 Сведения о преподавателе и контактная информация

 

Кипнис Лев Семенович, к.т.н., доц. кафедры МЛП и КМ

Медведева Ирина Евгеньевна, ст. преп. кафедры МЛП и КМ

Кафедра МЛП и КМ находится в гл. корпусе КарГТУ (г. Караганда, Б.Мира 56), аудитория 313, контактный телефон 56-75-96 доб.124

 

1.2 Трудоемкость дисциплины

 

Семестр	Количество кредитов	Вид занятий					Количество часов СРС	Общее количество часов	Форма контроля
		количество контактных часов			Количество часов СРСП	всего часов
		лекции	Практичес-кие занятия	Лаборатор-ные занятия
6	2	15	—	15	30	60	45	105	экзамен

 

1.3 Характеристика дисциплины

 

Дисциплина «Теория и технология обработки композиционных материалов» является вузовской компонентой цикла базовых дисциплин. В программе курса изучаются основные теоретические и технологические вопросы обработки  композиционных материалов; а именно,  способы  создания новых  композиционных материалов и область их применения. Для успешного освоения данного курса необходимо знание таких дисциплин, как «Физическое материаловедение», «Физические свойства материалов», «Механические свойства материалов», «Физическая и коллоидная химия».

1.4 Цель дисциплины

Целью изучения данной дисциплины является:

фундаментальная подготовка специалистов по материаловедению и  технологии новых материалов в области  разработки эффективных технологических про­цессов производства полуфабрикатов, заготовок и изделий из  композиционных материалов (КМ) для машино- и приборостро­ения.

 

1.5 Задачи дисциплины

Задачи дисциплины следующие:

теоретическое и практическое  освоение закономерной связи между строением, свойствами и  факторами технологических процессов производства изделий композиционных материалов.

 

 

 

В результате изучения данной дисциплины студенты должны:

иметь представление:

об основных тенденциях развития обработки композиционных материалов  для машиностроения и приборостроения;

знать:

— принципы, определяющие возможность получения материа­лов с заданными свойствами;  основы технологии получения исходных компонентов, про­цессы и технологию их совмещения при изготовлении композиционных материалов;   области использования и возможнос­ти применения композиционных материалов;  свойства и особенности технологии получения изделий из композиционных материалов;

уметь:

выбирать рациональные методы получения новых материалов с учетом экономичной и высокопроизводительной технологии;

приобрести практические навыки:

выбора технологического процесса производства композиционных материалов для получения комплекса необходимых физико-механических свойств при одновременном достижении высокой технико-экономической эффективности.

 

1.6 Пререквизиты

Для изучения данной дисциплины необходимо усвоение следующих дисциплин (с указанием разделов (тем)):

 

 

1.7 Постреквизиты

Знания, полученные при изучении дисциплины «Теория и технология обработки композиционных материалов», используются при освоении следующих дисциплин:

1. Технологические процессы производства материалов.

2. Технологическое оборудование производства материалов.

3. Проектирование производство

 

1.8 Содержание дисциплины

1.8.1 Содержание дисциплины по видам занятий и их трудоемкость

 

 

1.9 Список основной литературы

1. Композиционные    материалы: Справочник / Под  ред. Д. М. Карпиноса.   Киев:   Наукова  думка,   1985.
2. Композиционные материалы: Справочник / Под  ред. В. В. Васильева. М., Машиностроение, 1990.
3. Батышев А. И., Батышев А. А. Отливки из композиционных материалов. М., Машиностроение, 1990.
4. Затуловский С. С. и др. Литые композиционные материалы.  Киев, Техника, 1990.
5. Ефимов В. А. и др. Специальные способы литья. М., Машиностроение, 1991.
6. Рогачева Л. В. Материаловедение. М., Высшая школа, 2002.
7. Костиков В. И. Композиционные материалы на основе алюминиевых сплавов. М.: Интермет инжиниринг, 2000. .
8. Снежко А.  А.,   Костенко  Г.  Д., Ульшин   В.    И.   Формирование переходного   слоя   в  биметаллических   от­ливках   сталь-чугун //Литье     биме­таллических изделий. Киев: ИПЛ АН УССР,  1996.

 

 

 

1.10.Дополнительная литература

1. Лахтин Ю. М. Материаловедение. М., Высшая школа, 1990.
2. Баландин Г.Ф. Теория формирования отливки. М. МГТУ, 1998
3.  Направленное формирование свойств изделий машиностроения. М.: Машиностроение, 2005..

 

1.11 Критерии оценки знаний студентов

Экзаменационная оценка по дисциплине определяется как сумма максимальных показателей успеваемости по рубежным контролям (до 60%) и итоговой аттестации (экзамену) (до 40%) и составляет значение до 100% в соответствии с таблицей.

Оценка по буквенной системе	Цифровые эквиваленты буквенной оценки	Процентное содержание усвоенных знаний	Оценка по традиционной системе
А А-	4,0 3,67	95-100 90-94	Отлично
В+ В В-	3,33 3,0 2,67	85-89 80-84 75-79	Хорошо
С+ С С- D+ D	2,33 2,0 1,67 1,33 1,0	70-74 65-69 60-64 55-59 50-54	Удовлетворительно
F Z	0 0	30-49 0-29	Неудовлетворительно

 

Рубежный контроль проводится на 7-й и 14-неделях обучения и складывается исходя из следующих видов контроля:

 

Вид контроля

%-ое содержание

Академический период обучения, неделя

Итого, %

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Посещаемость

0,5

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

7

Конспекты лекций

0,5

*

*

*

*

*

*

3

Защита лаб.работ

2

*

*

*

*

*

*

*

14

Письменный опрос

15

*

*

30

СРС

1

*

*

*

*

*

*

6

Экзамен

40

Всего по аттестац.

30

30

60

Итого

100

 

1.12 Политика и процедуры

При изучении дисциплины «Теория и технология обработки композиционных материалов» прошу соблюдать следующие правила:

1. Не опаздывать на занятия.

2. Не пропускать занятия без уважительной причины, в случае болезни прошу представлять справку, в других случаях – объяснительную записку.

3. Отрабатывать пропущенные занятия независимо от причины пропусков.

4. Активно участвовать в учебном процессе.

5. Быть терпимыми, открытыми, откровенными и доброжелательными к сокурсникам и преподавателям.

 

1.13 Учебно-методическая обеспеченность дисциплины

Ф.И.О автора	Наименование учебно-методической литературы	Издательство, год издания	Количество экземпляров
			в библиотеке	на кафедре
Основная литература
1.Под  ред. Карпиноса Д. М.	Композиционные материалы: Справочник	Киев:   Наукова  думка,   1985.	5	—
2. Под  ред. Васильева В. В.	Композиционные материалы: Справочник	М., Машиностроение, 1990.	10	—
3.Батышев. А. И.,  Батышев А. А..	Отливки из композиционных материалов	М., Машиностроение, 1990	3	—
4.Затуловский С. С. и др.	Литые композиционные материалы.	Киев, Техника, 1990.	4	—
5. Ефимов В. А. и др.	Специальные способы литья	М., Машиностроение, 1991	15	3
6. Рогачева Л. В.	Материаловедение.	М., Высшая школа, 2002.
77. Костиков В. И.	Композиционные материалы на основе алюминиевых сплавов	М.: Интермет инжиниринг, 2000	3	—
8. Снежко А.  А., Костенко  Г.  Д., Ульшин   В.    И	Формирование переходного   слоя   в  биметаллических   от­ливках   сталь-чугун //Литье     биме­таллических изделий.	Киев: ИНЛ АН УССР,   1996	3	—
Дополнительная литература
9. Лахтин Ю. М.	Материаловедение.	М., Высшая школа, 1990.	50	3
10. Баландин Г.Ф.	Теория формирования отливки.	М. МГТУ, 1998	3	—
11.	Направленное формирование свойств изделий машиностроения.	М., Машиностроение, 2005	2	—

 

2 График выполнения и сдачи заданий по дисциплине

Вид контроля	Цель и содержание задания	Рекомендуемая литература	Продолжительность выполнения	Форма контроля	Срок сдачи
Лаб. раб. № 1	Углубить знания по теме.	[1, 5, 10]	2 недели	текущий	2-я неделя
Отчет по СРС (темы 1)	Углубить знания по темам.	[1, 4, 7, 8]	1-3 недели	текущий	2-я неделя
Лаб. раб. № 2	Углубить знания по теме.	[1, 4, 5, 7]	4-6 недель	текущий	4-я неделя
Отчет по СРС (темы 1)	Углубить знания по темам.	[1, 4, 10]	4 недели	текущий	3-я неделя
Лаб. раб. № 3	Углубить знания по теме.	[1, 5, 10]	4 недель	текущий	7-я неделя
Письменный опрос	Углубить знания по теме	Вся рекомендуемая  литература	2 контактных часа	рубежный	7-ая неделя
Отчет по СРС (темы 2)	Углубить знания по темам.	[1, 4, 6, 9]	2недели	текущий	4-я неделя
Лаб. раб. № 4	Углубить знания по теме.	[1, 5, 9]	2 недели	текущий	9 неделя
Отчет по СРС (темы 2)	Углубить знания по темам.	[1, 3, 4, 9]	7-8 недель	текущий	5-я недели
Лаб. раб. № 5	Углубить знания по теме.	[1, 4, 5, 7]	4 недели	текущий	11-неделя
Отчет по СРС (тема2)	Углубить знания по темам.	[1-4]	9 недель	текущий	9-неделя
Лаб. раб. № 6	Углубить знания по теме.	[1, 5, 8]	2 недели	текущий	13 неделя
Отчет по СРС (тема 2)	Углубить знания по теме	[1-4]	3 недели	текущий	11 неделя
Лаб. раб. № 7	Углубить знания по теме.	[1-5]	4 недели	текущий	14 неделя
Письменный опрос	Углубить знания по теме	Вся  рекомендуемая  литература	2 контактных часа	рубежный	14 неделя
Экзамен	Контроль знаний по курсу	Весь перечень   основной и дополнительной  литературы	2  контактных часа	итоговый	В период сессии

 

3 Конспект лекций

Тема 1 Предмет и содержание курса (1 час)

План лекции

1. Предмет и содержание дисциплины.

2. Компоненты  для получения композиционных материалов.

3. Методы получения композиционных материалов

 

Развитие традиционных и специальных отраслей машинострое­ния требует разработки сплавов с особыми свойствами, техноло­гии их изготовления и литья. К таким сплавам относятся компози­ционные материалы (КМ) на различной основе, образованные объемным сочетанием химически разнородных компонентов с чет­кой границей раздела между ними. Они характеризуются свойст­вами, которыми не обладает ни один из компонентов.

Диапазон материалов, используемых для получе­ния композитов, чрезвычайно широк. Отсюда много­образие свойств композиций, изготовленных на основе комбинаций различных композитов.

Композиты на основе полимерной матрицы в зависимости от армирующего компонента представ­ляют собой стеклопластики, углепластики, боропластики, древесно-слоистые пластики и т. д. В качестве связующего используются эпоксидные, полиэфирные,  кремнийорганические и поли­амидные смолы. Полимерные композиты по сравнению с другими материалами отличаются высокой прочно­стью, жесткостью и плотностью, они технологичны и находят широкое применение в технике. Углеродо-пластики по удельной прочности превосходят алю­миний и титан и применяются в авиационной и кос­мической технике для создания легких, прочных и долговечных конструкций. Полимерные композиты не подвержены коррозии, поэтому широко применя­ются для изготовления различных деталей, конструк­ций агрегатов химической промышленности.

Керамические композиты создаются на основе нитридов кремния и бора, боросиликатных стекол, углерода и других материалов. Известно, что кера­мические материалы обладают высокой прочностью, стабильностью при повышенных температурах, низкой плотностью, коррозионной стойкостью, но, с другой стороны, они характеризуются повышенной хруп­костью и чувствительностью к тепловому удару. В композитах за счет армирующих элементов удается повысить ударную вязкость и стойкость изделий к перепадам температур в сочетании с ценными свой­ствами керамики.

Композиты с металлической матрицей – это ­металлы или сплавы на основе меди, алюминия, магния, титана, армированные различными элемен­тами.   Металлическая матрица по сравнению с матрицами из пластика существенно повышает упругость и прочность композита, сохраняя эти свойства почти до своей температуры плавления. Кроме того, метал­лические композиты обладают высокой работоспособ­ностью в условиях вакуума, облучения, пониженной воспламеняемостью.

По  методам получения композиты подразделяются на материалы, полу­ченные жидко- и твердофазными методами, методами осаждения — напыления и комбинированными мето­дами. К твердофазным  методам относятся  прессование, штамповка, прокатка, экструзия, ковка, уплот­нение взрывом, диффузионная сварка и др. К   жидкофазным   методам   относятся   различные виды  литья   и пропитки, «мокрая» сборка, а также направленная кристаллизация сплавов.

Литые КМ по своим свойствам превосходят обычные литейные и деформируемые сплавы, что открывает большие перспективы их применения в машиностроении. Они состоят из пластичной ме­таллической матрицы, служащей связующим материалом, и упроч­няющей добавки (включений различных компонентов) в виде по­рошка, волокон, нитевидных кристаллов, тонкой стружки, гранул и т. п. Связи между металлической матрицей и упрочняющими до­бавками определяют свойства КМ.

Анализ механических свойств от­ливок из полученных КМ при повышенных температурах  свидетельствует о существенном улучшении прочностных характе­ристик КМ по сравнению с традиционными сплавами.

Применение литых КМ с металлической матрицей обеспечивает получение прочных и легких изделий, работающих при более вы­соких температурах и имеющих меньший износ, чем обычные спла­вы. Такие КМ позволяют создавать сплавы с заданными свойст­вами, например с определенным температурным коэффициентом линейного расширения.

В настоящее время применение литых композиционных материалов еще ограниченно,   композиты использу­ются, главным образом, для получения литых заго­товок деталей аэрокосмической и военной техники, деталей  автомобилей.   Применение литых композитов позволит значительно   улучшить   эксплуатационные  свойства, уменьшить массу деталей, повысить прочность и другие характеристики.

Рекомендуемая литература:

1. [4] стр.3-4.

2. [1] стр.7-15.

3. [4] стр. 4-6.

 

Контрольные задания для СРС (тема 1) [1, 4, 10]

1. Материалы, относящиеся к классу композиционных, область их применения.
2. Неметаллические  композиционные материалы.
3.  Особенности  механических и эксплуатационных характеристик композиционных материалов и изделий.

 

 

 

 

 

Тема 2 Классификация композиционных материалов  и изделий, технологические схемы их получения (2 часа)

 

План лекции

1.Принципы классификации композиционных материалов

2. Деление композиционных материалов по расположению компонентов

3. Классификация   компо­зиционных материалов по природе компонентов.

В основу классификации композиционных мате­риалов закладываются следующие принципы: кон­структивный (в соответствии с геометрией арматуры и ее расположением в матрице), материаловедческий (по материалу арматуры, матрицы и других компонентов; по методу получения изделий из компо­зита) и другие [4]. Однако эти принципы не являются окончательными, они постоянно совершен­ствуются и дополняются в соответствии с достигнутым уровнем  науки  и техники.

Композиционные материалы  принято   классифицировать  на две группы:

1)       макрогетерогенные КМ, армированные гранулами, стержнями, листами и другими вставками;  при использовании металлических вста­вок и стержней могут быть получены армированные отливки;

2)   микрогетерогенные с организованной структурой и химической неоднородностью, развивающейся в металлической матрице при вводе в расплав дисперсных добавок (металлических или неметаллических)  [1].

По геометрии компонентов композиционные мате­риалы разделены на три основные группы [1].

1. С нульмерными компонентами, имеющими все три размера одного и того же порядка. К этой группе принадлежат мате­риалы, упрочненные равномерно распределенными в объеме матрицы гранулами или частицами различной степени дисперсности: от макрочастиц (дроби) до ультрадисперсных частиц.

В макрогетерогенных материалах армирующие частицы, имеющие высокую прочность и твердость, могут играть роль и несущего, и упрочняющего эле­мента. Матрица служит основой материала, связыва­ет другие элементы, передает и распределяет нагрузку между ними. В дисперсно-упрочненных материалах несущим элементом является матрица, в которой с помощью множества ультрадисперсных частиц и одно­родной дислокационной структуры создается эффек­тивное торможение дислокации вплоть до температуры плавления. Примерами материалов этой группы могут служить металлы и сплавы, армированные частицами или гранулами, дисперсно-упрочненные материалы, материалы на основе керамики, содержащие короткие нитевидные  кристаллы и др.

2.С одномерными компонентами, один из размеров которых значительно превышает два  других  и  соизмерим  с  характерным размером   элементарного  объема.   Примерами   таких материалов являются изделия, армированные стерж­нями или проволокой,  волокнистые композиционные материалы на основе полимеров, металлов, армирован­ные  стекловолокнами, борными, углеродными, керамическими и другими волокнами. Матрица скрепляет арматуру (волокна или другие упрочняющие элементы) в  единый   монолит,    защищает  их  от  повреждений. Матрица  также  передает  нагрузку   на  армирующие
волокна, а в случае разрушения отдельных элементов перераспределяет напряжения.

3. С двухмерными компонентами, два размера   которых  значительно  превышают третий  и соизмеримы с характерными размерами элементарного образца (объема) композиционного материала. Приме­ром материалов этой группы являются армированные квазимонолитные материалы, биметаллы, различные   полиметаллические   композиции,   например, состоящие из чередующихся слоев титана и алюминия или их сплавов.

В дисперсно-упрочненных материалах гра­ницы зерен   играют большую роль, так как они вносят дополнительный вклад в повышение прочности при низких и высоких температурах.

По расположению компонентов (схема армиро­вания) композиционные материалы подразделяются также на три группы  [2].

1. Композиции с одноосным (линейным) расположением армирующего элемента, составляющие кото­рого распределяются    в   матрице   параллельно   друг другу.   Такая  схема   армирования  может быть  осу­ществлена с помощью нульмерных  или одномерных компонентов.

1. Композиционные материалы с двухосным (плос­костным)   расположением   арматуры,   составляющие которого в виде волокон, проволок, стержней распо­ложены    в   матрице    в   плоскостях,    параллельных друг другу.  Схема  армирования  может быть реализована с помощью  одномерных или двухмерных элементов.

3. Композиционные материалы с трехосным (объем­ным) расположением компонентов, когда невозможно выделить одно или два преимущественных направ­ления в материале. Такая схема армирования может быть реализована с помощью компонентов, имеющих хаотичную ориента­цию в пространстве (частицами, дискретными или непрерывными волокнами). В этом случае материал является изотропным или квазиизотропным.

Важную информацию дает: по материалу матрицы и армирующих элементов. Общее название композита, как правило, происходит от материала матрицы. Материалы с металлической матрицей называют металлическими композицион­ными материалами, соответственно полимерными или керамическими. Композиционный материал, содер­жащий два или более различных по составу или природе матричных материала, называется полима­тричным [2]. Обычно вначале указывают материал матрицы, затем — арматуры. Например, обозначе­ние медь — вольфрам [Си — W] относится к ком­позиту с медной матрицей и вольфрамовыми волок­нами. Встречаются и другие обозначения, в первой части которых указывается материал волокна, а во второй — матрицы (например, боро-алюминий и т. п.).

Все способы получения композиционных матери­алов подразделяются на твердофазные, жидкофазные и осаждения.

Твердофазные способы заключаются в предвари­тельном совмещении (объединении) армирующих эле­ментов и матрицы и их последующем компактировании в изделие горячим прессованием, ковкой, прокаткой, диффузионной сваркой и другими методами.

Для изготовления композиционных материалов, армированных высокопрочными частицами, непрерыв­ными и короткими волокнами, а также матами и сет­ками из волокон, наибольшее применение находят твердофазные методы порошковой металлургии. Эти методы позволяют получать композиты с заданной пористостью, в широком диапазоне изменять концен­трацию упрочняющего компонента. К недостаткам этих методов следует отнести трудности равномерного распределения армирующей фазы в объеме матрицы в ходе подготовки шихты, а также возможность по­вреждения хрупкой арматуры волокон при прессовании. Подготовка шихты осуществляется механи­ческим и химическим смешиванием порошка матрич­ного материала с упрочняющими волокнами или час­тицами. Для уплотнения материала шихты, придания детали необходимой формы и размеров осуществля­ется прессование на прессах или молотах, гидроста­тическим способом, прокаткой, экструзией либо с помощью вибрации  или взрыва.

В случае прессования в пресс-формах давление на шихту передается через пуансоны. В процессе прес­сования между порошкообразным материалом и стен­ками формы возникают силы трения, возрастающие с увеличением давления прессования, что приводит к значительному перепаду давлений по высоте прес­совки и, как следствие, к неравномерности уплотне­ния порошка. Появление неравномерности уплотне­ния и дефектов заготовки может быть вызвано также упругими и пластическими напряжениями, возника­ющими в процессе прессования.

Для гидростатического прессования характерно отсутствие внешнего трения, поэтому неравномерность плотности по объему заго­товки   значительно   меньше   аналогичной   плотности при обычном прессовании. Этот метод применяется для получения изделий сложной конфигурации.

В процессе экструзии происходит обжатие и продавливание заготовок из шихты композиционного мате­риала. Заготовки могут быть из смеси волокон и порошков со связками-пластификаторами (вязкими веществами типа раствора бакелита, парафина и др.). Пластификатор связывает  час­тицы и создает благоприятные условия для истечения формируемой массы через мундштук. При спекании-прессовании или горячем прессовании применяют на­гретые заготовки из шихты армированного материала. Этим методом получают длинномерные изделия различ­ного профиля – прутки, трубы, уголки и др. Главный недостаток способа экструзии – сильная поврежда­емость армирующих волокон во время  уплотнения.

При горячем прессовании процессы прессования и спекания объединены. Благодаря нагреву до тем­ператур, составляющих 0,5-0,8 температуры плав­ления матрицы, уплотнение шихты протекает гораз­до интенсивнее, чем при раздельных операциях прес­сования и спекания. В случае горячего прессования внешнее давление суммируется с капиллярным, обу­словливающим свободное спекание порошка. Этим методом удается получать практически беспорис­тые изделия.

Наибольшее применение получает сварка взрывом – основной способ получения слоистых композитов, при котором соединение образуется в твердой фазе. Метод не требует нагрева перед деформацией, что позволяет сохранить хорошую прочность армиру­ющих волокон. Сварка взрывом используется для изготовления многослойных листов, полос, цилин­дрических заготовок, изделий из композиционных материалов, армированных волокнами и т. д. В резуль­тате детонации взрывчатого вещества происходит соударение метаемой пластины и заготовки. При этом имеют место значительная пластическая дефор­мация поверхностных слоев и их местный адиабати­ческий нагрев, приводящие к образованию прочного сварного соединения отдельных пластин. Основными проблемами, возникающими при плакировании взры­вом, является растрескивание свариваемых плит, что осо­бенно характерно при соединении толстолистовых крупногабаритных  заготовок.

В последние годы получают развитие методы синтеза композиционных материалов нанесением на подложку чередующихся слоев матрицы и арматуры. методами осаждения. Существует несколько спо­собов получения композитов нанесением покрытий: плазменным напылением, электролитическим осаж­дением, осаждением из газовой фазы, вакуумным, эмиссионным   и  другими   методами.

Жидкофазные методы обладают рядом существен­ных преимуществ, главные из которых: возможность получения композиционных изделий сложной конфи­гурации с минимальной последующей механической обработкой либо вообще без нее; ограниченное сило­вое воздействие на хрупкие компоненты; широкая номенклатура компонентов, используемых для создания композитов;   упрощенное  аппаратурное обеспечение; высокая производительность; возможность механиза­ции, автоматизации и реализации непрерывных техно­логических процессов. Кроме этого, при помощи жидкофазного метода можно изготовлять такие композиции, которые другими методами либо невозможно изгото­вить, либо   нерационально.

С использованием литейных технологий компо­зиционные материалы получают двумя способами: соединением твердой и жидкой фаз, а также соедине­нием различных компонентов, находящихся в жидком состоянии.

Процесс соединения твердой и жидкой фаз может осу­ществляться  следующими  способами:

−           размеще­ние (укладка, установка) армирующих элементов в полость литейной формы перед заливкой матричным расплавом;

−           заливка в литейную форму гетерогенного матричного расплава, содержащего арми­рующие элементы, приготовленного в специальном агрегате (ковше); введение армирующих элементов в матричный расплав в процессе заливки его в кристаллизатор или в литейную форму;

−           сборка (намотка) армирующих элементов в присутствии жидкого матричного сплава.

Технологический процесс получения изделий жидкофазным совмещением компонентов состоит из следу­ющих основных этапов:

−           подготовка компонентов (ка­либровка, очистка и плакирование поверхности, при­дание армирующей конструкции необходимой формы, конфигурации); сборка, размещения в полости формы арматуры или ввод армирующих элементов в расплав;

−           заливка матричным расплавом, пропитка;

−           выдержка для затвердевания жидкой фазы в условиях наложе­ния внешних воздействий либо без них, выем из формы;

−           термическая и механическая обработка  изделий.

 

Рекомендуемая литература:

1. [1] стр.262-270, [4] стр.7-8.

2. [1] стр.16-19, [7] стр.145-146.

3. [4] стр.10-13.

Контрольные задания для СРС (тема 2) [1, 4, 7]

1.Виды композиционных материалов с металлической матрицей

2. Армирующие элементы композиционных материалов с металлической матрицей.

Тема 3 Литые композиционные материалы с алюминиевой и    медной матрицей. (3 часа)

План лекции

1.Виды и области применения литых композиционных материалов и изделий

2. Литые композиционные материалы с алюминиевой матрицей

3. Литые композиционные материалы с медной матрицей.

Литые КМ весьма разнообразны по составу и могут быть использованы для получения  деталей  в различных от­раслях промышленности.

Разнообразие армирующих элементов и матриц, способов литья композиционных материалов обеспе­чили получение изделий с высокими потребительскими свойствами.  Пер­воначальная высокая стоимость армирующих элемен­тов, которая теперь неуклонно снижается [3], определила  приоритетные области потребления ЛКМ. Кроме  авиационной  и космической техники, энергетического и специального машиностроения, в ко­торых удельный вес потребления литых композицион­ных материалов продолжает оставаться высоким,  расширение применения ЛКМ наблюдается в других отраслях техники, например,  в металлур­гии, машиностроении, горнодобывающей промышлен­ности, автотракторостроении и других.

Достижение армирующего эффекта или организованной слоис­тости существенно улучшает физико-механические свойства сплавов и позволяет получать КМ с уникальным комплексом свойств. Применение литейных процессов упрощает получение  КМ  по сравнению с методами порошковой ме­таллургии и создает благоприятные предпосылки для использова­ния новых материалов с армирующими элементами разного типа.

В последние годы во многих странах  в промышленных масштабах используют литые КМ, представляющие собой упрочненные волокнами или дисперс­ными частицами алюминиевые, медные и другие сплавы. Их используют в различных отраслях промышленности для полу­чения отливок с особыми свойствами.

Литые КМ типа алюминиевый сплав – карбид кремния  характеризуются:

−           регули­руемым температурным коэффициентом линейного расширения, повышенным сопротивлением абразивному изнашиванию и демп­фирующей способностью, более высокими пределом прочности и сопротивлением усталости, большей жесткостью при различных температурах;

−           по сравнению с титановыми сплавами – более высокой удель­ной жесткостью, сравнимыми прочностью и стойкостью при темпе­ратурах      150-320° С, а также меньшей стоимостью.

Подобные КМ находят применение для разных изделий, в том числе  для поршней двигателей внутреннего сгорания. Проблемой создания литых КМ для поршней занимается большое число  фирм в разных странах.

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.

Для машиностроительных деталей общего назначения, а также для изготовления оснастки используют композиционные отливки, где соче­таются железоуглеродистые сплавы разных составов или железоуглероди­стые сплавы с медными и алюминие­выми сплавами.

В качестве неметаллических и керамических добавок для при­готовления литых КМ используются порошки и волокна из карби­дов (SiC, TiC), оксидов (А1₂О₃, SiO₂, ZrO₂), графита и т.п., а так­же вставки определенной конфигурации из указанных и других материалов.

Для деталей, работающих в условиях трения скольжения, широко применяют КМ типа алюминиевый сплав-графит. Введение в алюминиевый сплав 2-4% дисперсных частиц (разме­ром 20-50 мкм) графита позволяет повысить характеристики КМ.

Используются и другие добавки, например углеродистые волок­на, «усы» из карбида кремния. Стоимость изго­товления волокон высока, но по мере освоения производства она снижается [2].

КМ с медной матрицей предназначены для изготовления литых деталей, работающих в условиях трения скольжения или качения. В качестве металлической матрицы таких КМ используют латуни или бронзы, а упрочняющей добавки – дисперсные частицы гра­фита  или стальные гранулы [4].

Таким образом, КМ с различной металлической матрицей и различными неметаллическими или металлическими упрочняющи­ми добавками (порошки, волокна, проволока) имеют особые свой­ства и находят применение для изготовления литых деталей во многих отраслях промышленности.

Литые КМ изготовляют путем пропитки составляющих, вакуумирования, смешивания, внутреннего окисления, воздействия давлением и т. п. Для получения отливок из КМ наиболее часто применяются следующие способы литья: литье с кристаллизацией под давлением, литье под давлением, литье в кокиль и суспензион­ное литье. В настоящее время большое внимание уделяется тех­нологии получения литых КМ, при которой упрочняющая фаза в виде дисперсных частиц (порошок, волокна) вводится в жидкий или жидко-твердый сплав непосредственно перед его заливкой в литейную форму.

Литые КМ, полученные введением специальных металлических или неметаллических добавок в металлический расплав, приобре­тают свойства, отличающиеся от свойств обычных литейных сплавов:  повышенные жаропрочность, износостойкость, стой­кость при циклических нагрузках, пониженный температурный ко­эффициент линейного расширения.

При этом свойства литых КМ зависят от материала, количества и величины вводимых уп­рочняющих добавок, а также от их расположения в матрице.

Способы получения литых КМ определяются требованиями к конечным свойствам, подбором соответствующих добавок для оп­ределенной металлической основы, возможностями ввода их в ме­таллический расплав, распределением и усвоением в матрице.

Раз­работаны различные способы ввода в металлический расплав и распределения в нем мелкодисперсных упрочняющих добавок:

−           механическое перемешивание; введение частиц со струей газа;

−           расплавление гранул из смеси порошков основного металла и наполнителя;

−           введение в расплав капсул или таблеток со смесью наполнителя и легкоплавкого флюса;

−           образование час­тиц мелкодисперсной фазы в металлическом расплаве в результате реакции в процессе плавки и др.

КМ на основе алюминиевой матрицы имеют различный состав как по содержанию основных элементов в са­мом металлическом сплаве, так и по количеству дисперсных доба­вок разного состава – неметаллы, металлы.

Отливки из та­ких КМ изготовляют литьем с кристаллизацией под давлением, литьем под давлением, в кокиль и песчаные формы.

Для механических способов получения литых КМ основную закономерность  можно представить в виде баланса затрат энергии на ввод тех или иных упрочняющих добавок в расплав и энергии реактивных сил. Активные силы – это силы механического перемешивания и внешнее давление на рас­плав, а реактивные – силы поверхностного натяжения, силы адсорбции  и сопротивления разрушению оксидной пленки на поверхности расплава.

Порошок TiC (массовая доля 3%) вводят в расплав путем механического замешивания двухлопастной пропел­лерной мешалкой. Добавление поверхностно-активных элементов в 2-3 раза улучшает усвоение дисперсных частиц TiC расплавом алюминия . Максимальное усвоение частиц наблюдается при вводе в расплав алюминия 4-5% Zn, 2% Си или 2% Si. При этом с увеличением времени перемешивания  усвоение частиц TiC ухудшается .

б

а

Состав порошка существенно влияет на степень его усвоения, а плотность определяет его распределение в расплаве. Расплавом алюминия хорошо усваиваются порошки TiC и А1₂О₃, хуже ZrO₂ и SiO₂. Порошки некоторых других веществ практически не усваиваются по различным причинам: большая разница в плотности (порошок борида вольфрама), полная несмачиваемость (по­рошок МоВ),  сильное окисление, переходящее в горение (порошки ZrN, ZrC, NbC).

Для изготовления литых КМ с алюминиевой матрицей широкое применение находят порош­ки и волокна из карбида кремния и титана, графита, оксидов алю­миния и циркония. В тигель электрической печи сопротивления,  в котором находится расплав алюминия, вводят дисперсные частицы упрочняющей добавки с помощью дозатора  из специальной емкости. Частицы по желобу  поступают в рас­плав и перемешиваются вращающейся мешалкой.

Приготовленный литой КМ заливают либо в литейную форму для формирования отливки, либо в изложницу для получения спе­циальных слитков. Они поставляются в специализи­рованные литейные цехи, где после расплавления  зали­вают в литейные формы для получения отливок различной конфи­гурации.

Влияние добавок SiC и А1₂О₃, вводимых в алюминиевые  сплавы, на структуру и механические свойства получаемых КМ, закри­сталлизованных под давлением, изучали экспериментально.  Сплав перемешивали графито­вой мешалкой в течение 7-40 мин,  заливали в матрицу пресс-формы и выдерживали под давлением до оконча­ния кристаллизации.

Установлено, что с увеличением времени перемешивания  проч­ностные характеристики КМ (предел прочности, модуль упруго­сти)  вначале повышаются, а затем снижаются. Относительное удли­нение  с увеличением времени перемешивания КМ непрерывно снижается. С ростом количества SiC прочностные свойства КМ как при комнатной, так и при повышенной  тем­пературе повышаются.

При изменении содержания частиц TiO₂ в пределах  0-5% длительная прочность исследованных КМ при температуре 300° С повышается от 55 до 65 МПа, а температурный коэффициент снижается. Повышение длительной прочности объясняется тем, что частицы располагаются по границам зерен первичного кремния и измельчают их. При этом диффузия кремния в твердый раствор уменьшается, в результате чего твердость повышается с 115 до 125 НВ. Жидкотекучесть КМ, содержащего 5% TiO₂, снижается, а линейная и объемная усадка сплава без добавок и с добавками частиц ТЮ₂ практически одинакова.

Учитывая сложность ввода в металлический расплав неметаллических порошкообразных добавок и их равномерного распределения в расплаве,  считают, что оптимальный размер частиц составляет 1-10 мкм.

Приготовление литых КМ целесообразно осуществлять в два этапа: предварительное получение лигатур с высокой концент­рацией упрочняющих добавок и затем использование их в качестве шихтовых материалов при плавке КМ. Разработано несколь­ко способов получения концентрированных лигатур с раз­личными дисперсными частицами.

Наиболее эффективным способом получения лигатур с массовой долей частиц до 50% оказался способ метал­лизации карбидных порошков (TiC, ZrC, B₄C) жидким алюминием или силумином в нейтральной среде.

Введение дисперсных частиц А1₂О₃ и TiC уменьшает линейное расширение алюминиевых сплавов, что особенно важно при изго­товлении литых поршней.

Приведены результаты исследования введения частиц оксидов размером 10-20 мкм в расплав алюминия в со­ставе флюсовой смеси. После охлаждения полученная смесь размалывается в бегунах, разделяется по фракциям и вводится в расплав алюми­ния при температуре 700-720° С, что соответствует температуре заливки сплава АЛ2. В зависимости от количества оксидов, вво­димых в расплав алюминия (объемная доля 1-5%), меняется время (от 2 до 5 мин) и скорость  перемешива­ния.

Литые КМ на алюминиевой основе, в которых дисперсные частицы присутствуют в виде взвеси, имеют меньшую жидкотекучесть, чем обычные алюминиевые сплавы, и склонны к расслоению при выдержке в жидком состоянии.

Изучение влияния   потенциальной,    кинетической    и тепловой энергии на взаимодействие и распределение керамических порошкообразных и волокнистых упрочняющих добавок в расплаве показало, что улучшение смачивания частиц добавок расплавом обеспечивается путем    снижения поверхностного натя­жения расплава. Это достигается нанесением на керамические частицы никелевого или медного покрытия, введением в рас­плав активных элементов (Mg, Са, Ti, Zr, P), термической обра­боткой частиц и ультразвуковой обработкой расплава.

Жидкотекучесть литого КМ с увеличением количества вводимых керамических частиц снижается. Полагают, что причиной этого является изменение времени и механизма затвердевания, а также эффективной вязкости расплава. Для литого КМ, состоящего из алюминиевого сплава  с добавлением частиц А1₂О₃,   зависимость между жидкотекучестью L и площадью поверхности S вводимых в расплав частиц имеет вид:

L = a + bS_t                      (1.1)

где а и  b— коэффициенты.

Исследовано изнашивание в условиях трения скольжения  (без смазки) пары сталь (с 0,6% С) – литой КМ, основой которого  является алюминиевый сплав Al-20% Mg, с  упрочняющей добавкой из  дисперсных частиц SiO₂ (объемная 1 доля 8,7-52,8%), А1₂О₃ и MgO. Литые КМ получали путем механического перемешивания указанных дисперсных частиц при одновременной продувке расплава алюминия аргоном. Износостойкость КМ зависит от размеров дисперсных частиц оксидов и их объемного количества, скорости скольжения при трении и усилия прижима образца из КМ к стальному вращающемуся диску. Установлено, что при прочих равных  условиях износостойкость КМ выше, чем обычного сплава Al-20%Mg.

Изучены также КМ, содержащие дисперсные частицы оксида циркония ZrO2.  Частицы ZrO₂ размерами 40-200 мкм, полученные путем размола цирконового песка и содержащие 65,9% ZrO₂, 32,2% SiO₂, 0,30% TiO₂, 0,87% Fe₂O₃ и 1,53% летучих веществ, вводили в расплав алюминия промышленной чистоты и эвтектического сплава AM 1,8% Si, дополнительно легированного 3-5% Mg для лучшего диспергирования частиц.

Перемешивание расплава при введении в него частиц ZrO₂ осуществлялось  стальным    импеллером, покрытым краской  из цирконовой муки, жидкого стекла и воды. Электродвигатель постоянного тока обеспечивал частоту вращения импеллера от 100 до 1000 мин-¹. Расплавы перегревали до температуры 800° С, вводили в них 3 или 5% Mg, дегазировали, удаляли шлак, опускали импеллер и медленно перемешивали, повышая частоту вращения до 400 оборотов в минуту. Частицы ZrO₂, подогретые до температуры 800° С, вводили в рас­плав со скоростью 100 г/мин, затем расплав опять дегазировали и удаляли шлак. Приготовленный сплав через отверстие в дне тигля заливали в кокиль (при введении в сплав 3%Mg) или пресс-камеру машины литья под давлением (в случае добавления в сплав 5% Mg).

Установлено, что при введении 25% частиц ZrO₂ в сплав Al-3%Mg его твердость повышается на 142%, износостойкость  на 72%, модуль упругости на 43%, предел прочности и предел текучести  на 10%.

КМ с алюминиевой матрицей, содержащие дисперсные частицы Al₂O₃, получают не только путем механического перемешивания или использования высококонцентрированных лигатур с А1₂О₃, при­готовленных методом внутреннего окисления, но и непосредствен­ным внутренним окислением расплава алюминия. КМ, полу­ченный таким методом, имеет хорошую жидкотекучесть при содержании А1₂О₃ до 1,5%.

Сложность введения в алюминиевый сплав 2-4% дисперсных частиц   графита  заключается в том, что графит не смачивается жидким алюминием, а при тем­пературе выше 500° С они взаимодействуют один с другим, обра­зуя карбид алюминия. Вследствие этого возможны неравномерное перемешивание в расплаве алюминия волокон углерода и сниже­ние их содержания в металлической   матрице.   Для преодоления этого недостатка вводят поверхностно-активные добавки, снижаю­щие поверхностное натяжение расплава, термически обрабатыва­ют дисперсные частицы графита перед их механическим замеши­ванием в расплав алюминия, наносят на волокна графита инерт­ное покрытие.

Твердость и прочность при растяжении КМ уменьшаются при увеличении в нем содержания частиц гра­фита. Такие КМ имеют высокую износостойкость и низкий коэф­фициент трения, что обусловлено наличием частиц свободного гра­фита, выполняющего функцию твердой смазки. При низких напря­жениях в течение небольшого периода работы алюминиевая мат­рица разрушается и деформируется. При этом на поверхность вы­ступают графитовые частицы, заключенные в матрице, в резуль­тате чего создается эффект самосмазывания.

Исследовали износостой­кость КМ на основе алюминиевых сплавов с объемной долей дис­персных частиц графита до 20%.  При  доле графитовой фракции до 10% она не изменяется, а свыше 10% снижается. Удельный износ сплавов системы Al-Si при увеличении количества графита непрерывно уменьшает­ся, достигая минимума при объемной доле гра­фита 20%.

Изучали условия получения КМ на ос­нове силумина марки  с добавлением в него порошка графита зернистостью 200-500 мкм  в  количестве   2-4%. Графит вводили в расплав с предварительным покрытием его ни­келевой оболочкой, с предварительным нагревом до температуры 700°С, в виде таблеток из прессованной смеси  (70% металла ос­новы, 30% графита). Расплав силумина, нагретый до температуры 800° С, после введения графита перемешивали импеллером в течение 3-6 мин, затем за­ливали в кокиль, нагретый до температуры 250-300° С. Более равномерное распределение частиц графита в алю­миниевой основе достигнуто после   введения   порошка графита, имеющего оболочку из никеля. Наибольшей износостойкостью об­ладал КМ с содержанием 3-4% графита, введенного в виде таб­леток   из   смеси   графита   и   силумина.

На структуру и свойства КМ большое влияние оказывают условия затвердевания. Исследовано влияние объемного содержания частиц SiC в сплаве Al-6,1% Ni, их размеров  и силы тяжести при направленном затвердевании на структуру получаемых КМ. В результате затвердевания в перемен­ном гравитационном поле  частицы SiC неравномерно распределялись по высоте опытной отливки.

Наряду с КМ на основе алюминиевых сплавов типа металл-неметалл применяются и КМ типа металл-металл.  Изучена возможность получения КМ методом механического перемешивания распла­ва алюминия с порошком свинца в графитовом тигле индукцион­ной печи в зависи­мости от его массовой доли (5-25%). Эффективность усвоения свинца в расплаве АК9 в процессе механического перемешивания составляет ~70% и не зависитот количества вводимого порошка. Прочностные свойства и ударная вязкость полученного КМ с увеличением количества и размеров частиц свинца снижается, а относительное удлинение на 40% выше, чем  у исходного сплава. При исследовании износостойкости КМ с медной матрицей и объемной долей вклю­чений графита до 20% частицы графита предварительно покрыва­ли медью. После заливки полученных сплавов в литейную форму к затвердевающей отливке прикладывали давление 60 МПа.  Отмече­но, что удельный износ КМ с графитом в условиях сухого трения имеет тенденцию к сниже­нию при увеличении объемной доли частиц графита (рис. 7). Увеличение давления на образец при испытаниях на трение приводит к некоторому повышению износа КМ, однако он намного меньше, чем износ сплавов, не содержащих графитовых включе­ний.

Испытания показа­ли, что КМ имеет хорошую износостойкость и возможно его ис­пользование для изготовления вставок пантографов городского транспорта (например, троллейбусов).

Износостойкость композитов из стальных и чугунных гранул с матрицей из сплава медь-цинк-индий в парах трения с закаленными деталями из стали 45 в 2–5 раз превосходит износостойкость бронз 05Ц5С5, а их коэффициенты трения одинаковы. Применение центробежного индукционного и изотермического литья применительно к деталям машин для переработки пластмасс позволяет повысить рабочий ресурс этих машин, а также сэкономить до 60 % меди при изготовлении деталей узлов трения. Технологии формирования ЛМКМ позволяют не только изготовлять новые детали, но производить ремонт и восстановление деталей, вышедших из строя. Опробована технология восстановления чугунных деталей композиционными материалами на основе латуней, исключающая разрушение и оплавление деталей в процессе литья рабочих слоев ЛМКМ. Применение технологии восстановления деталей литьем одновременно повышает их ресурс.

 

Рекомендуемая литература:

1. [4] стр.19.

2. [1] стр.410-415.

 

Контрольные задания для СРС (тема 3) [1, 4]

1. Армирующие компоненты композитов с алюминиевой матрицей
2. Технология получения композитных изделий с матрицей на основе медных сплавов.

 

Тема 4 Литые композиционные материалы с матрицей  из железоуглеродистых сплавов

 

План лекции

1.  Литые композиционные материалы с матрицей  из чугуна.

2. Литые композиционные материалы с матрицей  из стали.

 

КМ могут быть получены в результате выде­ления частиц SiC при кристаллизации сплавов типа Fe-25% Si. Сплавы плавятся в тигле из чистого графита в атмосфере СО или аргона и выдерживаются при температуре 1500° С. При этом в атмосфере СО включения SiC кристаллизуются в объе­ме сплава, а в среде аргона они группируются на стенках пла­вильного тигля. Различие в морфологии кристаллизующихся час­тиц SiC обусловлено интенсивным образованием пленки SiO₂ на стенках тигля.

Как правило, частицы SiC вводят непосредственно в расплав чугуна. Показана возможность получения КМ на ос­нове серого чугуна, содержащего 3,79% С, 2,37% Si, 0,21% Мn, 0,049% Р, 0,023% S, 0,019% А1, 0,034% Са, с добавками наполни­теля – порошка SiC (размеры частиц 10-15 мкм). После вы­держки и перемешивания частиц SiC  расплав серого чугуна  заливается в литейную форму. Опти­мальная структура КМ получается при вводе SiC при темпера­туре 1200° С.

Исследованы условия получения, структура и свойства КМ на основе низколегированных чугунов с добавлением карбидов [4]. Карбиды титана (раз­меры частиц 1-10 мкм) вводили в низколегированный чугун в ви­де лигатуры А1-10% Fe – 50% TiC из расчета получения в чугуне 2,0 и 3,2% А1. Приготовленный сплав (3,3-3,5% С и 0,3% Si) заливали в песчаную и металлическую формы для получения ци­линдрических образцов диаметром 20 мм.

Установлено, что частицы TiC растворяются в чугуне. При этом предел растворимости зависит от температуры и состава чугуна. Не растворившиеся карбиды образуют в расплаве коллоидную взвесь. Поскольку большая часть TiC находится в растворенном состоянии, размер вновь образующихся частиц  зависит от ско­рости охлаждения расплава. В чугуне, затвердевшем в металли­ческой форме, размеры частиц карбидов примерно в 3 раза мень­ше, а количество их в 3 раза больше, чем в чугуне, структура ко­торого формировалась в сухой песчаной форме. Карбиды титана располагаются в основном в перлите графитовой эвтектики, однако могут находиться также в первичном аустените и ледебурите. При введении частиц TiC твердость алюминиевых чугунов, кри­сталлизовавшихся в металлической форме, повышается как в ре­зультате упрочнения, так и вследствие более высокой степени отбела.

Изучен механизм кристаллизации чугунов с дисперсными кар­бидными частицами. Образование в структуре серого чугуна дисперсных ограненных кристаллов TiC (размером 3-6 мкм) при­водит к значительному улучшению его свойств: прочность  повышается на 20%, твердость – на 15%, износостойкость при трении скольже­ния – в несколько раз.

Наряду с применением дисперсных частиц для получения КМ используют и стальные волокна (проволоку).

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. Такой способ изготовления изделий с литым композиционным слоем оправдал себя при изготовлении кокилей и пресс-форм [7].При применении плетеной сетки из  проволоки диаметром 1 мм с объемной долей арматуры в отливке, равной 25%, прочность  чугуна СЧ 20 увеличилась в 2 раза. Армированные чугуны  не подвержены хрупкому разрушению, что обусловливает их особые преимущества по сравнению с чугунами других марок.

Методом вакуумного всасывания получают композиционные отливки из жаропрочного сплава, армированные вольфрамовыми волокнами.

Вакуумное всасывание происходит с большой скоростью,  в ряде случаев поток жидкого металла может вызвать эрозионное разрушение поверхности армирующих волокон. Устранить это  явление позволяет метод литья с  электромагнитным и вакуумным воздействием, которое позволяет с помощью электро­магнитного поля регулировать скорость движения расплава при заливке и пропитке. Для сохра­нения армирующими волокнами исходной прочности время их контакта с расплавленным матричным сплавом по возможности сокращают.

Различные способы армирования литых изделий, в частности, рабочих поверхностей могут применяться практически для любого металла и любой конфигура­ции отливки. 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 [5].

Сущность процесса изготовления поверхностно армированных отливок заключается в размещении в заданном месте литейной формы пористого каркаса из твердых ча­стиц и последующем заполнении формы расплавом в условиях, обеспечивающих пропитку каркаса.

Эффективно применение армирующих вставок (пористых металлокерамических оболочек ПМКО), из­готовляемых из смесей  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 термопластичных паст при температуре 1000-1070 °С в нейтральной атмосфере. После литья армирующие элементы сохраняют заранее заданное  расположение. При этом зерна железного порошка приобретают мартенситную структуру,  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.

Для железоуглеродистых сплавов возможны следующие варианты контактных процессов:

1. чугун (расплав) – сталь (твердый элемент);

2. чугун (расплав) – чугун  (твердый элемент);

3.сталь (рас­плав) – сталь (твердый элемент);

4. сталь (расплав) – чугун (твердый элемент).

Первый вариант наиболее распространен; встречается для получения объемно-армированных чугунных отливок и при заливке в металлооболочковые формы; второй вариант представляет интерес при изготовлении двухслойных валков, когда затвердев­шая часть валка входит в контакт с жидким чугуном, выполняющим остальную часть валка, также при объединении двух элементов из чугуна; третий вариант важен при объедине­нии стальных элементов в единое целое, например стальной корпус шарошки и зубья из сплава ВК на стальной арматуре и др.; четвертый вариант может быть использован при изготовлении композиционной детали по принципу намораживания детали из чугуна с последующей промывкой  сталью.

Условия формирования переходных зон сталь-чугун исследовали так: стальные образцы, покрытые легкоплавким шлаком, погружали в расплавленный чугун так, что на  1 см²  поверхности стального образца приходилось 0,0125 кг чугуна. Было установлено влияние температуры подогрева стального образца и температуры расплавленного чугуна на толщину переходной зоны, температуру контактной зоны  и скорость растворения стального образца.

Растворение  про­исходит тем интенсивнее, чем выше температура подогрева образца и выше температура расплавленного чугуна, а также чем больше масса чугуна на единицу поверхности стальной заготовки.

Переход углерода из чугуна в сталь при изотермической выдержке происходит в такой последовательности: поверхностные слои стального твердого образца насыщаются углеродом из жидкого чугуна; поверхностный слой стального образца переходит в жидкое состояние; из жидкого поверхностного слоя  углерод диффундирует в глубь стального образца. Одновременно происходит взаимная диффузия других элементов (Si, Mn, Сг).

При длительной выдержке этот процесс  протекает до полного растворения стального образца в чу­гуне с получением усредненного со­става.

При затвердевании реальной чугунной отливки происходит вы­деление избыточной фазы аустенита на поверхности стальной  заготовки.

Кинетика взаимодействия в системе сталь-чугун зависит от условий заполнения литейной формы. Если образец находится в нижней части формы, и металл подводят сверху, то для этого случая данные, приведенные на рисунке 2.9, в первом приближении будут справедливы. Если же металл подводят сифоном, то разогрев пластины и контактные процессы будут заметно отличаться в сторону их интенсификации.

Диффузия углерода из чугуна в сталь зависит от активности элемен­тов, входящих в состав чугуна и стали.

При наличии в стали сильных карбидообразующих элементов (C, V, W) диффузия углерода из чугуна облег­чается.  При изучении контактных процессов жидкой углеродистой стали с твердой хромистой сталью 10Х13, установлено, что  в ней образуются стабильные дисперсные кар­биды хрома.

Чем ближе температуря расплава к ликвидусу,  тем меньше вероятность его проникновения в твердый металл.

На глубину зоны оказывает влияние продолжительность контакта, когда металл находился не только в жидком, но и жидко-твердом состоянии, поэтому глубина диффузионной зоны должна быть больше по сравнению с. диффузионной зоной состава с меньшим содержанием углерода. С увеличением содержания углерода свыше 2,14%, при сужении интервала диффузионная зона увеличивается. Это свя­зано с тем, что   эвтектика  способствует науглероживанию твердого металла. Наибольшей науглероживающей спо­собностью обладают эвтектические со­ставы, хотя при этом интервал затвер­девания равен нулю. При дальнейшем увеличении содержания углерода уменьшается количество эвтектики и уменьшается науглероживающая спо­собность.

При заливке в графитовую форму стали с содержанием С = 0,2% (диаметр образца 80 мм) происходит интенсивное науглероживание  расплава, за время затвердевания он успевает насытиться углеродом до 3 % С. Процесс науглероживания происходит значительно быстрее, чем при цементации твердой стали. Если необходимо создать пару сталь-сталь, то при предварительной цементации твердого стального образца можно интенсифицировать диффузионные процессы.

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 металлическая связь [4].

Таким образом, для управления переходной зоной между двумя железо­углеродистыми сплавами при изгото­влении композиционных отливок мож­но провести следующий комплекс ме­роприятий:

—       активизировать расплав путем его перегрева и увеличения активных форм углерода;

—       применять чугун  эвтектического состава, что позволит создать длительный контакт жидкой фазы   с  твердой  поверхностью  стали;

—       устранить барьеры со стороны твердой поверхности (окисные пленки, загрязнения) и со стороны расплава (водородные включения, ламинарный слой, твердая корка);

создать промежуточные слои увели­чивающих активность диффузионных процессов.

 

Рекомендуемая литература:

1. [1] стр. 273-279, [6] стр.17-21.

2. [4] стр.14-18, [10] стр.220-229.

3. [1] стр.321-324.

 

Контрольные задания для СРС (тема 3) [1, 4, 6, 10]

1. Строение переходной зоны  на границе сталь – чугун.
2. Композиционные изделия   с упрочненной  поверхностью на основе чугуна.

 

Тема 5 Технологические  процессы получения   литых изделий из композиционных материалов (3 часа)

План лекции:

1.  Схемы получения изделий из композитов методами  литья

2. Литье в песчаные формы

3. Литье  в кокиль

4. Центробежное литье

5. Литье под давлением

 

Отливки из композиционных материалов  в основном получаются следующими спо­собами:  свободной заливкой  в песчано-глинистые, керамические, графитовые и металлические формы, изотер­мической и неравновесной пропиткой,  центробеж­ным литьем,  литьем под давлением,  литьем с кристаллизацией под давлением и др.

Выбор способа получения отливок из КМ имеет большое значение, поскольку диспергированные частицы либо оседают, либо всплывают благодаря различию плотности частиц и металлического расплава.

При литье в песчаные формы низкая скорость охлаждения при­водит к ликвации по плотности и, как следствие, к неравномерно­му распределению дисперсных частиц по высоте отливки. Части­цы, плотность которых меньше плотности металлического расплава (к таким частицам могут быть отнесены частицы графита, Al₂O₃ и др.), всплывают и концентрируются в верхних зонах формирую­щейся отливки. Частицы, плотность которых меньше плотности металлического расплава (например, карбиды и нитриды тугоплав­ких металлов), оседают и концентрируются вблизи нижнего торца затвердевающей отливки. Подобная ликва­ция дисперсных частиц в некоторых случаях может быть полез­ной, так  как способствует либо повышению износостойкости поверх­ностного слоя отливки, либо уменьшению коэффициента трения.

При литье в металлические формы более высокая по сравнению с литьем в песчаные формы ско­рость охлаждения спо­собствует более равномерному распределению частиц по высоте отливки.

Изучение свойств КМ, состоящих из алюминиевых сплавов  и дисперсных частиц оксида алюминия, показа­ло, что их жидкотекучесть снижается с увеличением ко­личества дисперсных частиц оксида алюминия. Для ее повы­шения необходимо перегревать КМ перед заливкой. При вводе в сплавы 2% Al₂O₃ усадка практически не меняется: линейная усад­ка остается на уровне 1,1-1,2%, объемная – 3,1-3,2%. С увеличением содержания частиц оксида алюминия устойчивость КМ к трещинам снижается, что необходимо учитывать при разработке техно­логии изготовления отливок.

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, торцы закрываются крышками, индуктор, производящий нагрев, смещает­ся к одному из торцов, после чего при одновременном вращении формы начинается ее равномерный разогрев перемещающимся индук­тором.

В ходе затвердевания расплава во вращающейся изложнице лег­кие дисперсные частицы (например, графит, оксид алюминия и др.) концентрируются на внутренней поверхности отливки, а тя­желые (например, оксид циркония) – на наружной поверхности. Если такое распределение дисперсных упрочняющих частиц по сечению отливки является желательным, то способ центробежного литья можно использовать для изготовления отливок из КМ.

При литье под давлением возможно получение отливок как из традиционных КМ, приготовленных путем перемешивания металли­ческих расплавов с дисперсными упрочняющими частицами, так и  специальные вставки (рисунок 2.2) и обычные металлические сплавы. При этом рекоменду­ются следующие режимы литья: температура пресс-формы 250-350° С, давление прессования до 50 МПа, скорость фильтрации расплава в поры вставки 30-150 м/с, скорость впуска расплава должна быть примерно в 10 раз меньше скорости фильтра­ции.

Наряду с волокнистыми и порошкообразными неметаллически­ми упрочняющими добавками при изготовлении отливок из КМ широко используются керамические вставки различной конфигура­ции.

При изготовлении отливок литьем под давлением из алюминиевого сплава и дисперсных частиц графита (размеры частиц 75-355 мкм) графит вводят в алюминиевый сплав, находящийся в жидкотвердом состоянии (с содержанием до 0,1 части твердой фазы), который затем заливают в камеру ма­шины литья под давлением.

Глубина проникновения расплава резко увеличивается при нагреве порошкообразного материала до определенной температуры.

Поры керамических вставок заполняются за очень короткий промежуток времени, поэтому соотношение температуры расплава и керамической вставки должно быть оптимальным.

Для КМ с керамической вставкой из карбида кремния и алюминиевого сплава в качестве матрицы оптимальные температурные области составляют: для расплава 650-750° С, для вставки 480-570 С (давление 50 МПа, V = 38%, диаметр волокон 13 мкм)

Количество волокон, которое может быть размещено в отливке, зависит от вида устанавливаемого в рабочей полости матрицы элемента с волокнами и режимов литья.

Отливки из алюминиевого сплава с добавлением карбида кремния формируются при литье с кристаллизацией под давлением. Полученные отливки имеют высокие физико-механические свойства. Сопротивление усталости таких КМ выше, чем обыч­ных алюминиевых сплавов.

В литье с кристаллизацией под давлением при изготовлении поршней двигателей внутреннего сгорания  широко используются разные схемы прессования.

В настоящее время лучшей технологией формирования ЛКМ из алюминия-бора  и алюминия-карбида кремния является непрерывная про­питка, ограничивающая время контакта волокна и расплава, или пропитка под давлением. 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).

Возможность непосредственного смачивания армирующих элементов алюминиевыми матрицами при температурах свыше 1000 °С 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.

При получении  методом вакуумно-компрессионного литья   основа детали с намотанными на нее армирующими волокнами устанавливается в тонкостенную литейную металлическую форму, внутренняя полость которой соответствует конфигурации получаемого изделия. Форма помещается в верхнюю термическую печь, а в нижнюю плавильную печь (тигель) укладывается шихта матричного сплава. Собранная форма вакуумируется и нагревается, одновременно в нижней печи расплавляется матричный сплав, в пространство печи под давлением подается сжатый аргон. Форма опускается в жидкий металл, который под давлением через специальные отверстия поступает внутрь и заполняет (пропитывает) зазоры между армирующими волокнами. После окончания пропитки форма подни­мается вверх, где расположен внешний холодильник, жидкая фаза кристаллизуется, изделие охлаждается и извлекается из формы. Важную роль в описанном процессе играет подогрев арматуры. Если температура подогрева недостаточна, то возможна неполная пропитка матричным распла­вом, образование пор, неоднородной связи по высоте изделия.

В процессе формирования и кристаллизации заго­товки для повышения качества  изде­лий, устранения несовершенств литой структуры применяется наложение различного вида внешних воздействий: давление, вибрация, ультразвуковые или электромагнитные колебания и т. д.

Одним из наиболее распространенных методов получения многослойного металла является так назы­ваемое литое плакирование – заливка жидким метал­лом твердых армирующих элементов.

В последнее время большое внимание уделяется литым дисперсно-упрочненным материалам, получае­мым введением в расплавленный матричный металл или сплав  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 армирующих частиц в объеме отливки  вводят порошкообразные материалы, дозируемые в процессе заполнения литейной формы. При этом  для повышения однородности распределения тугоплавких частиц, улучшения качества композици­онных отливок применяются специальные приемы. Частицы карбида вольфрама размером не более 15 мкм предварительно смешива­ются с порошком матричного сплава, смесь гранули­руется в гранулы, которые 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.

В ряде случаев при изготовлении деталей  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 гранулирования термоплас­тов.

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 дальнейшем отка­заться от механической обработки.

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.

Для армирования применяется стальная и чугунная дробь, гранулы твердых сплавов и керамические гранулы, ВК-6  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. Наряду с улучшением смачивающей способности расплава  эти  технические приемы позволяют уменьшить литейную усадку при кристаллизации и диффузионное взаимодействие на границе армирующие элементы — матрица.

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.

С использованием различных армирующих элементов (гранулы стали ШХ15, чугуна, др.) матрицы медных, никелевых и железоуглеродистых сплавов разработаны ЛМКМ различного назначения.

Испытания литых  компози­ционных материалов, армированных высокохромис­тыми чугунными литыми гранулами, с матрицами из железоуглеродистых сплавов (сталь 35Л и чугун СЧ21-40) показали их высокую стойкость к абразивному износу. При­менение этих материалов как элементов конструкций деталей почвообрабатывающих машин позволило  в 2 раза увеличить их ресурс.

Для получения композиционных магнитных материалов порошки магнитных сплавов 10НДК24, 10НДК35Т5 при интенсивном перемешивании вводят в жидкие сплавы Zn – 5 %; Sn – 10 % и другие в количестве до 80 % по объему. Ввод осуществ­ляют с помощью специальной  установки с рабочей температурой до 900 °С.

Для удобства отбора литейной композиции из тигля перемешивание расплава осуществляется в одной половине тигля лопастями, а перемешивание во всем объеме – вращением самого тигля. Плавка и перемешивание осуществляются в атмосфере аргона. Для получения заданного композита шихта в тигле расплавляется, затем полученный расплав охлаждается до температуры 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. После такой обработки в сплаве содержится 10-50 % твердой фазы. Продолжая  перемешивание, в расплав вводят порошки тугоплавких материалов. Перемешивание ведется по получения однородной сме­си, которая заливается в кокиль или под давлением. Отливки содержат равномерно распределенные в основном сплаве частицы фазы-наполнителя.

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 ликвацию при кристаллизации отливок. Разработана технология получения композитов типа алюминий-графит, алюминий-карбид кремния, магний-графит [3].

Метод получения литых ком­позитов, при котором армирующие частицы предвари­тельно (до пропитки матричным расплавом) размещаются в полости литейной формы, может быть реализован с помощью различных технологических приемов: армирующие частицы вводятся в пенополистироловые модели в процессе их изготовления [5];  частицы и  волокна (например SiC) диаметром   2-3 мкм и длиной 1 мм спекаются в единый каркас по режиму, обеспечивающему достаточно прочную связь армирующих элементов с матрицей [1]; тугоплавкие частицы предварительно спекаются в гранулы большего разме­ра, которые после заливки матричного сплава расплавляются с образованием армирующей фазы требуемой дисперсности [4]. Эти приемы позволяют армировать отливаемые детали как во всем  объеме, так и отдель­ные их  части и поверхности. Поверхностное армирование – перспективный способ повышения износо­стойкости и, следовательно, долговечности машино­строительных деталей.

 

Рекомендуемая литература:

1. [4] стр.18-19.

2. [1] стр.340-342.

3. [10] стр.250-285.

 

Контрольные задания для СРС (тема 4) [1, 4, 10]

1. Технология получения литых композиционных изделий с локальным упрочнением

2. Получение композиционных материалов с применением электромагнитных полей.

 

Тема 6 Разработка технологии изготовления  армирующих вставок

(2 часа)

План лекции

1. Компоненты армирующих вставок.
2. Способы получения пористых армирующих вставок

 

Элементы детали, установленные в литейную форму, могут быть объеди­нены в результате действия механиче­ских и адгезионных сил, а также про­текания диффузионных процессов, спо­собствующих образованию контактной зоны.

Чисто механические связи реализуются в том случае, если жидкий металл не смачивает поверхность твердого эле­мента, и между ними не происходят реакции химического взаимодействия. Для создания механических связей твердый элемент должен быть залит жидким металлом, при затвердевании которого развивается усадка. Под влия­нием усадки создается нормальное давление,   которое и обеспечивает механические связи.

Так как для разъединения элемен­тов нужно преодолеть силу трения между твердым элементом (арматурой) и затвердевшей отливкой, а коэф­фициент   трения за счет  различных насечек, резьбы может быть увеличен, то такая механическая связь при статических нагрузках может быть достаточно надежной.

На формирование механических связей оказывает влияние давление, под действием которого жидкий металл  контактирует с твердым элементом, так как оно создает условия для лучшего запол­нения различных выступов, а также уменьшает возможность образова­ния прерывистых зазоров.

При  плохом смачивании твердой поверхности поток расплава имеет вид накатывающейся волны, и между потоком и твердой поверхностью создаются воздушные прослойки, спо­собствующие образованию зазора, что ухудшает механические связи. Фор­мирование механических связей про­исходит и при пропитке пор  ПСМП матричным металлом, если металл не вступает в химические и диффузионные взаимодействия. Это ха­рактерно для ограниченного числа сплавов (например, для Си-W, Си-Мо, Си-Та, Ag-W, Mg-Ti), почти не используемых для фасонных от­ливок.

В формировании связей между твердой поверхностью элемента детали, арматуры и затвердевающим распла­вом большую роль играют  силы адгезии, которые проявляются в том случае, если расплав смачивает эту поверхность.

Работа адгезии жидкости к твердой поверх­ности зависит от поверхностного натя­жения жидкости на границе с газом и краевого угла смачивания твердого тела жидкостью.  В тех случаях, когда смачивания не происходит, адгезия уменьшается. В этом случае контакт между твердой поверхностью арматуры и расплавом не образуется.

Если на поверхности раздела с арма­турой  расплавленная матрица смачивает арматуру, то имеет место незначительное, без образования каких-либо соединений, растворение арматуры и формирова­ние связей, например, при применении алюминиевых и ни­келевых матриц, армированных угле­родными волокнами.

Смачиванием можно управлять дву­мя способами: изменением свойств смачиваемого твердого тела; исполь­зованием адсорбционного эффекта, то  есть введением в смачивающий расплав поверхностно  активных компонентов.

При контакте металлических твер­дых поверхностей с жидким металлом  улучшение смачивания мо­жет   быть   достигнуто    в   результате повышения температуры жидкого ме­талла, применения флюса, легирова­ния, газовых сред, шероховатости по­верхности твердой фазы. Например, расплавленный алюминий в водород­ной среде начинает смачивать армко-железо только при 1270°С, медь – при 1180°С, олово – при 1000 °С, в то же время олово смачивает медь  уже при  380°С  [4].

Таким образом, управляя свойствами смачиваемого тела, можно достичь прочных адгезионных связей, что расширяет возможности компози­ционного литья, так как благодаря этим связям на арматуру мо­гут быть нанесены промежуточные слои, улучшающие связь арматуры с матричным металлом.

При получении композиционной от­ливки большое влияние на формиро­вание адгезии связей оказывают условия заполнения формы и охла­ждения отливки.

Жидкий металл без оксидов (в усло­виях вакуума) не смачивает неметал­лическую поверхность, но металл, по­крытый оксидами типа FeO и МnО, хорошо смачивает поверхность из по­луторных оксидов и кремнезема. По­этому в зависимости от пары, вступа­ющей в контакт, и окружающей среды краевой угол смачивания изменяется в широком диапазоне и, следовательно, при изго­товлении композиционных отли­вок адгезией можно управлять.

Для машиностроительных деталей общего назначения, я также для изготовления оснастки используют композиционные отливки, где соче­таются железоуглеродистые сплавы разных составов или железоуглероди­стые сплавы с медными и алюминие­выми сплавами.

Контактные процессы для металли­ческих расплавов можно разделить на две группы: матрица и арматура рас­творимы друг в друге, но продукты взаимодействия не образуются; на поверхности раздела образуются но­вые продукты взаимодействия. Кон­тактные процессы первой группы ха­рактерны для железоуглеродистых сплавов, для которых большое значе­ние имеют диффузионные процессы углерода в железо. Во второй группе происходит образование новых оксид­ных соединений, карбидов, шпинелей. Формирование контактных зон зави­сит от скоростей реакций и диффузии элементов. Примерами контактных пар, дающих продукты взаимодействия, мо­гут служить алюминий и титан, арми­рованные борными волокнами, кото­рые частично растворяются с образо­ванием соединений бора с  алюминием и ти­таном – АlВ₂ и TiB₂.

При упрочнении алюминия и магния углеродными волокнами взаимная рас­творимость системы А1-С мала, но образуется   карбид   алюминия   А1₄С₃.

Углеродные волокна при температурах до 1100°С алюминием не смачиваются. Для преодоления плохого смачивания  используют литье под давлением.

Схема изготовления керамических вставок показана на рисунке 2.3. Волокна из неметаллических материалов перемешивают с водой специальной мешалкой до гомогенного состояния. Затем смесь заливают в матрицу, в которой ее уплотняют пуансоном, придавая при этом заданную конфигурацию вставке и удаляя воду из смеси. Вода через отверстия в пуансоне и дне матрицы удаляется из вставки. Готовая вставка  извлекается из матрицы и высушивается. В зависимости от режима изготовления керамические вставки могут иметь разную заданную пористость.

Вставки могут быть монолитными или собранными из несколь­ких элементов. Даже в том случае, когда объемная доля волокон составляет 5%, вставка оказывается достаточно прочной для транс­портирования. При изготовлении отливки вставку нагревают в печи до температуры, равной – 0,6 температуры заливки металлического расплава, быстро устанавливают в литейную форму и жестко фиксируют, после чего в форму сразу же заливают металлический расплав. В результате формируется отливка, упрочненная в определенных зонах волокнами добавки.

Для армирования поверхности отли­вок  используют пористые оболочки из спеченных металлических порошков (ПОСМП).

Получение композиционных отливок с применением пористых оболочек из спеченных металлических порошков (ПОСМП) на базе железных порошков  состоит из трех операций: получения ПОСМП; установки ПОСМП в литейную форму; пропитки ПОСМП матричным металлом при заливке формы сплавами на базе железа, меди и алюминия. Расплав пропитывает поры ПОСМП, которая превращается в единое целое с отливкой, создавая на ее поверхности композиционный слой. По этой технологии могут быть получены различные отливки с композиционным поверхностным слоем .

Пористость готовых оболочек изменяется от 40 до 60 %. После постановки такой оболочки в литейную форму и заливки чугуном при температуре 1400-1430 °С на отливке формируется композиционный слой, равный толщине ПМКО. При формировании композиционного слоя ведущим процессом является взаимодействие твердой и жидкой фаз (взаимная диффузия компонентов расплава).

Пористую оболочку можно  пропитать металлом в изотермических условиях, то есть получить оболочку из псевдосплава, а затем установить ее в литейную форму и соединить с матричным металлом благодаря механическим и диффузионным связям.

Материалы типа псевдосплавов позволяют получать изделия с уникальными потребительскими свойствами [5].  Они  обладают рядом  ценных характеристик (демпфирующей способностью, износостойкостью, способностью к самосмазыванию при трении, теплостойкостью  и др.), которые определяют их широкое применение.

Псевдосплавы получают жидко-, твердофазным спеканием, а также пропиткой. Наибольшее распрост­ранение получил метод пропитки. Еще большие возможности при одновременном упрощении техноло­гических процессов производства изделий из псевдо­сплавов открываются при использовании литейных технологий.

Основными операциями получения псевдосплавов являются производство тугоплавкого пористого кар­каса и его заполнение более легкоплавким металлом (сплавом) с получением структуры компо­зиционного материала без пор. Пористые каркасы могут быть получены из порошков (гранул), волокон, сеток их уплотнением и последующим спеканием. Каркасы также могут быть получены только уплотнением (прессование, прокатка, вибрация, литье) или только спеканием. При этом формируются откры­тая, тупиковая и закрытая пористости. Соотношение видов пористости определяет проницаемость каркаса, т. е. способность пропускать через поры жидкий ме­талл, который может проникать только в открытые или тупиковые поры.

Пористые оболочки изготовляют из пластифицированных металлических порошков прессованием. Процесс изготовления оболочки состоит из приготовле­ния заготовки (сырца) оболочки и ее термической обработки, при которой происходит удаление органических материалов  и  твердофазное спекание порошков.

Готовые оболочки подвергают тепло­вой обработке для удаления органиче­ской составляющей и спекания частиц металлического порошка. При этом ПОСМП в отличие от оксидной кера­мики может окисляться, а из органической составляющей металл может поглощать углерод, что оказывает влияние на условия пропитки ПОСМП матричным металлом.

Для предохранения от окисления при температуре более 600 °С процесс тепловой обработки оболочек необходимо проводить в вакууме или коробах под легкоплавким силикатным расплавом, препятствующим окислению металла. Поглощение железом углерода может происходить  при температуре около 900 °С. Пластификатор [парафин и добавки (полиэтилен, стеарин)] при нагреве разлагаются.

В зависимости от состава пластифи­катора и наличия окислительной сре­ды может быть выделение углерода из газовой фазы, сохраняющейся до тем­ператур выше 900 °С. При нагреве на воздухе пластификаторов (чистый па­рафин, парафин с 5% полиэтилена или парафин с 2% стеарина)  пластификатор при 350 °С удаляется практически полностью. Пластификатор из смеси его с металлическими порошками, когда оболочка находится в засыпке адсорбента, обычно удаляется при температуре 400-450 °С. Температура удаления пластификатора и значительной степени зависит от составов металлического порошка и пластификатора, а также от технологических факторов (режима нагрева, размеров короба, толщины засыпки, расположения изделий в засыпке) .

Для передвижения пластификатора в жидком состоянии из оболочки в засыпку необходимо, чтобы минималь­ная температура стенки оболочки (рисунок 2.11) соответствовала тем­пературе плавления пластификатора с перегревом на 10-15% (т.е. 60- 65 °С) и зона твердого состояния отсутствовала. На границе оболочка-засыпка температура не должна превышать температуру начала испарения пластификатора, т.е. 120-130 °С. По­этому зона жидкого состояния должна быть в оболочке (крупные частицы) и частично захватывать за­сыпку (мелкие частицы), а зона парообразного состояния должна быть полностью   перемещена в засыпку.

Перемещение жидкого пластификатора из оболочки в засыпку происходит под влиянием капиллярного давления.

После удаления пластификатора, ко­личество которого по объему составляет приблизительно 60% , в местах контак­тов твердых частиц происходит твердо­фазное спекание. Этот процесс проте­кает тем интенсивнее, чем меньше расстояние между частицами.  Спека­ние при одновременном прессовании под давлением облегчается. При по­лучении оболочек ГПСМО процессом спекание начинается в «разрыхленной» системе после удаления органического пластификатора, что замедляет диф­фузионный процесс зарастания межзернового расстояния. Поэтому необходимо использовать мел­кодисперсные порошки.

Изменение пористости  и объемной усадки для порошков фракций 30, 70 и 120 мкм и их смесей в зависимости от температуры спекания происходит в широких пределах. При этом уменьшение пористости и рост усадки при одновременном увеличении прочности особенно интенсивны, если температура спекания превышает 1000 °С. При изготовлении ПОСМП необходимо обеспечить максимально возможную пористость и технологически необходимую прочность. Поэтому спекание проводится при температуре 1050- 1100°С.

ПОСМП из железного порошка имеет следующие характеристики: линейную усадку 2-3%, пористость до 60%, прочность при изгибе (1015)10⁵ Па.

Оболочки, изготовляемые по описанной технологии, даже при малых толщинах и острых ребрах, обладают достаточной прочностью, и их установка в литейную форму не вызывает технологических осложнений.

При пропитке ПОСМП матричным металлом необходимо соблюдать сле­дующие условия: температура пла­вления ПОСМ  и матричного металла должна существенно отличаться; взаимная растворимость компонентов должна быть минимальной, а взаимодействие не должно приводить к снижению эксплуатационных характеристик композиционной оболочки; легкоплавкая составляющая должна смачивать поры тугоплавкого каркаса; в процессе пропитки не должно образовываться новых фаз, которые вследствие увеличения объема или повыше­ния вязкости могли бы препятствовать перемещению расплава в порах; во избежание растворения каркаса состав пропитываемого сплава должен быть равновесным по отношению к материа­лу матрицы при температуре пропитки; атмосфера, в которой происходит про­питка, должна обес­печивать максимальную степень про­питки.

Управление пропиткой может осу­ществляться температурой (расплава или матрицы), условиями смачивания, давлением, подбором состава пары каркас — матрица, атмосферой литейной формы.

На заполнение чугуном пор в обо­лочках, установленных в литейную форму, влияют температура заливки (1300-1450 °С), толщина стен­ки отливки  и толщина пористой оболочки.

При пропитке чугуном ПОСМП, изготовленных, например, из порош­ков железа, нихрома (типа ПХ20Н80) или других порош­ков, процессы протекают интенсивно. При этом происходит взаимодействие с образованием новых структур. Ин­тенсивность процесса обусловлена боль­шой контактной поверхностью ма­тричного расплава и пористой металлокерамической оболочки, а также строением самого порошка, который обладает  большим коли­чеством дефектов кристаллической ре­шетки по сравнению с плотным метал­лом, что заметно ускоряет диффузи­онные процессы. При пропитке ПОСМП из ПЖ6М чугуном с содержанием 3,5% С и 1,5% Si получают структуру стали в соответствии с распределением углерода от заэвтектоидного состава до доэвтектоидного. При пропитке чу­гуном ПОСМП из ПХ20Н80 можно получить высоколегированную сталь карбидного класса с высокой твер­достью и широко управляемыми свой­ствами.

         Рекомендуемая литература:

1. [2] стр.151-157.

2. [4] стр.2124.

3. [1] стр.67-71.

 

Контрольные задания для СРС (тема 6) [1, 2, 4]

1. Технология получения   пористых объемных спеченных металлических вставок.

2. Способы регулирования пористости вставок.

3. Факторы, влияющие на диффузионные процессы между материалом вставки и матрицей.

Тема 7 Формирование  поверхности композиционных отливок(2 часа)

План лекции

1.Взаимодействие материала матрицы с армирующими элементами на поверхности отливки.

2. Закономерности прогрева поверхностного легирующего слоя.

 

Поверхностное армирование отливок из алюминиевых сплавов с примене­нием пористых оболочек из железных порошков или смесей железных порошков с по­рошками сормайта широко исполь­зуют, например, арми­руют алюминиевые поршни в области канавок для поршневых колец, где необходима повышенная твердость.

Пропитку осуществляют при разогре­том до 900°С железном каркасе, помещенном в расплавленный алю­миний, находящийся в автоклаве. Автоклав до погружения каркаса вакуумируется, после чего создается давление аргона 10 МПа. В этом случае пористость каркаса уменьшается от 40-45 до 18% .

Такая технология неприемлема для получения композиционных отливок. Поэтому пропитку осуществляют при жидкой штамповке, используемой при изготовлении алюминиевых поршней. ПОСМП из смеси порошков железа и сормайта устанавливают в пресс-форму, которая заливается перегретым под шлаком до 900°С алюминиевым сплавом. Через 3-4 с  на плунжер оказывается давление 25-30 МПа. Средняя твердость пропитанной оболочки составляет 140 НВ, что связано с большими скоростями пропитки и замедлением реакции образования FeAl. Составом ПОСМП и режимом пропитки средняя твердость может быть уве­личена.

Полученная твердость поверхности композиционной отливки в 1,8 раза выше твердости матричного сплава. Результаты исследования антифрикционных свойств и износостойкости отливок с такой композиционной поверхностью показали: коэффициент трения сравним с коэффициентом трения оловянистой бронзы БрО12, скорость изнашивания ком­позиционного сплава на порядок меньше по сравнению с бронзой.

Наиболее характерный дефект поверхности композиционных отливок (КО) —  поверхностная непропитка. Причина появления этого дефекта — недостаточная температура наполнителя из-за охлаждения от металлической формы. Аналогичная проблема актуальна для КО любого состава, получаемых пропиткой,

Для устранения непропитывания  поверхности  исследуют динамику охлаждения наполнителя в кокиле. Условия задачи определяются следующими особенностями технологии композиционного литья.

1. При пропитке дисперсных материалов существует критическая температура наполнителя [2], ниже которой пропитка невозможна. Для  фракций 0,1 мм критическая температура очень ярко выражена (выше критической температуры пропитка идет практически бесконечно) и может быть определена по тепловому балансу «расплав- наполнитель». Для более крупных фракций критическая температура выражено менее явно, но, тем не менее, может быть определена с достаточной точностью (выше критической температуры наполнителя глубина пропитки резко увеличивается).

2. Если температуропроводность композиционной части отливки ниже, чем цельнометаллической (например, в системе AI-NaCI), то во избежание усадочных дефектов температура наполнителя должна быть минимальной [3]. Иначе после заливки композиционная часть отливки, затвердевая медленнее цельнометаллической, питает ее расплавом.

3. Температура наполнителя не должна превышать 700⁰С, иначе NaCI интенсивно спекается.

Благодаря тому, что температуропроводность кокиля значительно выше, чем наполнителя, температура пристеночного слоя наполнителя определяется температурой кокиля. Поэтому для устранения поверхностной непропитки следует вести процесс в изотермии, то есть прогревать как кокиль, так и наполнитель до критической температуры Т_кр . Однако столь высокие температуры нагрева крайне отрицательно сказываются на стойкости кокиля. С другой стороны, температура выбивки КО не может быть ≥ 450⁰С, следовательно, для использования кокиля далее в техпроцессе в изотермии необходим дополнительный нагрев, что экономически не эффективно,

Теплообмен в засыпке наполнителя осуществляется теплопроводностью через контакты между зернами, конвекцией газа в межзеренном пространстве и излучением. Структура зернистых материалов в диапазоне пористости до 42% образует плотную кладку зерен (структура 1-го порядка). В случае, если пористость  42%, образуется сеть пустот, сравнимых с размерами зерен (структура 2-го порядка). Четко выраженной границы между этими структурами нет. При меньшей пористости больший вклад вносит контактная теплопроводность, а при большей пористости — конвекция и излучение.

Пористость свободной засыпки наполнителя ~42%. В засыпке можно выделить пограничный слой, пористость которого выше, чем в объеме. Этот про- стеночный эффект появляется в результате формирования у стенки арочных конструкций из зерен наполнителя. Для моделирования пристеночного эффекта использовали рандомизированную компьютерную модель заполнения формы одинаковыми шарами (фиктивным грунтом). В результате получены данные о пористости пограничного слоя наполнителя. Для моделирования теплообмена нет необходимости в определении зависимости пористости от расстояния от стенки. Достаточно выявить  пористость пограничного слоя. В результате моделирования тонких засыпок выявлено, что пористость пограничного слоя толщиной в три диаметра частиц составляет 52%.

Расчет показал, что при высоких температурах теплопроводность засыпки NaCI в диапазоне пористости 40…55% практически не зависит от фракции, о определяется исключительно пористостью и теплопроводностью компактного наполнителя. Однако в справочной литературе существуют значительные расхождения по теплопроводности компактного NaCI (1,7…5,5 Вт/м·К) [5]. Плотность и теплоемкость наполнителя определяли аддитивно. Еще одна проблема для расчета определение коэффициента теплоотдачи от стенки кокиля в окружающую среду.

Для экспериментального определения теплофизических характеристик системы NaCI-стальной кокиль в отдельных муфельных печах прогревали кокиль (с толщиной стенки 4 мм) до 400…450⁰С и наполнитель до температуры эксперимента (500…600⁰С). При достижении необходимой температуры кокиль извлекали из печи и в него засыпали наполнитель. Температуру наполнителя фиксировали на КСП-4 в трех точках: в 2; 4 мм от стенки кокиля и в центре кокиля. Для выявления теплопроводности компактного NaCI и коэффициента теплоотдачи от стенки кокиля в окружающую среду рассчитывали охлаждение наполнителя при различных теплофизических параметрах процесса и сравнивали полученные данные экспериментальными.

Выявили, что максимальная сходимость с результатами эксперимента возникает при теплопроводности основного слоя засыпки 0,3 Вт/м К, что соответствует теплопроводности компактного NaCI 4,8 Вт/м К, и коэффициенте теплоотдачи от поверхности кокиля 25 Вт/м² К. Эти параметры использовали для дальнейших теплофизических расчетов скорости охлаждения пристеночного слоя наполнителя.

При охлаждении наполнителя в кокиле можно выделить два ярко выраженных этапа. Этап 1 начинается с момента засыпки наполнителя в кокиль и продолжается 30…40 с. На этом этапе происходит резкое выравнивание температуры пристеночного слоя наполнителя и кокиля. Определяющие параметры на этом этапе — температура и температуропроводность кокиля и наполнителя. Изменение толщины стенки кокиля и условий теплоотдачи на границе «кокиль — атмосфера» не оказывает значимого влияния на процесс охлаждения пристеночного слоя.

Но этапе 2 происходит равномерное охлаждение наполнителя и кокиля. Скорость охлаждения определяется толщиной стенки кокиля, его диаметром и условиями теплообмена на границе «кокиль- атмосфера».

В результате реализации машинного эксперимента выявлены оптимальные температуры нагрева наполнителя в зависимости от величины припуска на механообработку (таблица). Как расчеты, так и эксперименты основывались на модели неокрашенного кокиля. Применение окраски кокиля в техпроцессе позволит снизить температуру нагрева наполнителя. Выбор величины припуска на механообработку,  материала кокиля, состава и применение краски определяются экономическими характеристиками производственного процесса: стоимостью нагрева наполнителя и механообработки отливок, ценой кокиля, следовательно, припуск не может быть рекомендован однозначно.

 

4 Методические указания для выполнения лабораторных работ

 

Лабораторная работа 1

Определение гранулометрического состава  дисперсного наполнителя композиционных материалов .

 

Цель работы: ознакомление с основными методами контроля зернистос-ти в порошковой металлургии и определение гранулометрического состава порошка методом ситового анализа.

 

Порядок выполнения работы:

1. Провести ситовый анализ двух видов образцов порошкового материала. Результаты анализа оформить в виде таблицы по примеру табл. 1.

 

 

Таблица 1. Пример заполнения результатов определения грануломет-рического состава

 

Номер сетки	Размер сторон ячейки сетки в свету, мм	Остаток на сетке
		грамм	%
1	1,00
063	0,63
04	0,40
0315	0,315
02	0,20
016	0,16
01	0,10
0063	0,063
005	0,05
Менее 0,05
Всего

 

2. Провести микроскопический анализ двух видов образцов порошкового материала. Подобрать увеличение микроскопа для размеров измеряемых час-тиц. Определить средний размер частиц.

3. Сделать выводы и составить отчет по работе в соответствии с вышеуказанными пунктами.

 

Контрольные вопросы:

1. Что из себя представляет металлический порошок?

2. На какие группы в зависимости от размеров частиц подразделяются порошки?

3. Дайте определение понятию «гранулометрический состав порошка».

4. Какими методами определяют гранулометрический состав порошка?

5. В чем заключается сущность ситового анализ?

6. В чем заключается сущность микроскопического анализ?

7. В чем заключается сущность седиментационного анализ?

 

Рекомендуемая литература

1. [1]

2. [5]

3. [7]

 

Контрольные задания для СРС [1, 5, 7]

1. Изучить методику фотоседиментационного определения грануломет-рического состава порошков.

2. Научиться проводить обработку результатов изученного метода.

 

 

 

 

Лабораторная работа 2 Определение насыпной плотности, плотности утряски и текучести металлического  наполнителя

 

Цель работы: ознакомление с одной из важнейших характеристик метали-ческих порошков — насыпной плотностью и способами определения ее; освоение методики определения насыпной плотности с помощью волюмометра; определение текучести металлического порошка.

 

Порядок выполнения работы:

1. Провести определение насыпной плотности, плотности утряски и текучести двух видов образцов порошкового материала. Полученные данные представить в виде таблицы.

2. С помощью полученных данных рассчитать относительный объем, относительную плотность и пористость материала.

3. Проанализировать полученные данные и составить отчет по работе.

 

Контрольные вопросы:

1. К каким свойствам металлических порошков относятся насыпная плотность и текучесть?

2. Дайте определение термину «насыпная плотность». Для чего необходимы значения насыпной плотности? Какими способами можно определять насыпную плотность? Каким образом можно изменить величину насыпной плотности? Какую величину называют насыпным объемом?

3. Дайте определение понятию «плотность утряски». Каким образом определяют ее величину? Какую величину называют объемом утряски?

4. С помощью каких величин можно рассчитать относительный объем, относительную плотность и пористость порошковых материалов? Что характеризует каждая из этих величин?

5. Дайте определение термину «текучесть металлического порошка». От чего в основном зависит текучесть? По какой формуле можно определить текучесть?

6. Каким образом проводят определение текучести порошкового материала? Какие влияют на текучесть удельная поверхность и шероховатость частиц, влажность и процесс окисления металлического порошка?

 

Рекомендуемая литература:

1. [1]

2. [5]

3. [7]

 

Контрольные задания для СРС [1, 5, 7]

1. Провести анализ исследования текучести трех типов образцов порошков материалов.

 

 

Лабораторная работа 3 Исследование уплотняемости и прессуемости дисперсных наполнителей.

 

Цель работы: изучение закономерностей процесса уплотняемости и прессуемости металлического порошка, определение основных факторов, влияющих на уплотнение; ознакомление с основными операциями формования металлических порошков.

 

Порядок выполнения работы:

1. Провести уплотняемость двух видов образцов порошкового материала. Данные по уплотняемости представить в виде графика зависимости плотности прессовок от давления прессования.

2. С помощью пресс-формы сформовать порошковый металлический материал и проверить его качество.

3. Сделать выводы и составить отчет по работе в соответствии с вышеуказанными пунктами.

 

Контрольные вопросы:

1. К каким свойствам металлических порошков относятся уплотняемость, прессуемость и формуемость?

2. Дайте определение термину «уплотняемость металлического порошка». По какой характеристике оценивается уплотняемость?

3. Какова последовательность операций при определении уплотняемости порошка?

4. Дайте определение термину «прессуемость металлического порошка». С какими характеристиками металлических порошков связана прессуемость?

5. Дайте определение термину «формуемость металлического порошка». От чего в основном зависит формуемость порошка? Как качественно можно оценить формуемость прессовки?

 

Рекомендуемая литература:

1. [1]

2. [5]

3. [7]

 

Контрольные задания для СРС [1, 5, 7]

1. Определить плотность прессовки образца и вычертить кривую прессуемости.

 

Лабораторная работа 4  Предварительная уплотнение дисперсных наполнителей  при изготовлении пористых вставок  

Цель работы: ознакомление с различными способами прессования порошкового материала и определение расчетных величин.

Порядок выполнения работы:

1. Вычертить простейшую схему пресс-формы и назовите ее основные детали.

2. С помощью пресс-формы спрессуйте порошковый металлический материал.

3. Проанализируйте качество полученной прессовки.

 

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение понятий «прессование порошка» и «прессовка».

2. От каких факторов зависит качество получаемых прессовок?

3. Какие способы прессования порошковых материалов Вы знаете?

4. В каком случае применяется двухстороннее прессование?

5. Из каких операций складывается процесс прессовки?

6. Какой формулой пользуются при расчете навески порошка?

7. Каким образом осуществляют дозировку порошка?

8. Каким образом при заполнением порошком матрицы пресс-формы достигается его равномерное распределение и горизонтальность поверхности?

9. По каким признакам классифицируют пресс-формы для изделий из металлических порошков?

 

Рекомендуемая литература:

1. [1]

2. [5]

3. [7]

 

Контрольные задания для СРС [1, 5, 7]

1. Выполнить расчет матриц на прочность, с учетом рекомендуемых размеров матрицы.

 

Лабораторная работа 5 Изучение структуры пористых вставок композиционных изделий

Цель работы: изучение влияния различных факторов на формирование структуры порошковых материалов.

 

Порядок выполнения работы:

1. По маркам выданных образцов порошковых изделий определить приблизительный химический состав.

2. Изучить и зарисовать микроструктуры образцов.

3. Сделать выводы и составить отчет по работе в соответствии с вышеуказанными пунктами.

 

Контрольные вопросы:

1. Какова в общем виде взаимосвязь между структурой пористого тела и его свойствами?

2. Перечислите структурные составляющие порошкового материала.

3. Какие факторы и как влияют на формирование структуры порошкового материала?

4. Охарактеризуйте методы исследования структуры порошкового материала.

5. Расшифруйте марку порошковой стали 30Н3Д1,5Мn.

 

Рекомендуемая литература:

1. [1]

2. [5]

3. [7]

 

Контрольные задания для СРС [1, 5, 7]

1. Изучить микроструктуру образца порошкового материала

 

Лабораторная работа 6 Определение механических свойств композиционных изделий

Цель работы: изучение механических свойств порошковых материалов: прочности, ударной вязкости, твердости, а также практическое освоение методик определения этих свойств.

 

Порядок выполнения работы:

1. Измерить микротвердость нескольких образцов.

2. Провести определение предела прочности при растяжении пористого конструкционного материала цилиндрической формы.

3. Результаты определений занести в таблицу и сделать выводы

 

Контрольные вопросы:

1. К каким свойствам металлических порошков относятся прочность, ударная вязкость, твердость?

2. От чего зависят механические свойства порошковых материалов?

3. Как оценивают прочность порошковых материалов?

4. Охарактеризуйте методику определения ударной вязкости?

5. Каким образом определяют микротвердость порошковых материалов?

 

Рекомендуемая литература:

1. [1]

2. [5]

3. [7]

 

Контрольные задания для СРС [1, 5, 7]

1. Изучить методику определения предела прочности твердых сплавов при поперечном разрыве.

 

Лабораторная работа 7 Дисперсно-упрочненные композиционные материалы

 

Цель работы: ознакомление со свойствами и технологией изготовления дисперсно-упрочненных композиционных материалов на алюминиевой основе.

 

Порядок выполнения работы:

1. Сравнить механические свойства чистого алюминия, сплавов алюминия и дисперсно-упрочненного САП.

2. Данные представить в виде таблицы и сделать выводы.

 

Контрольные вопросы:

1. Какие технологические схемы применяют для получения дисперсно-упрочненных композиционных материалов типа САП?

2. Какие марки исходного материала используют для получения САП? Каково содержание оксида алюминия в них?

3. Какова структура САП?

4. Как влияет содержание оксида алюминия на механические свойства САП?

5. Какую продукцию изготавливают из САП?

6.Что служит матрицей в дисперсно-упрочненных композиционных материалах на никелевой основе?

7. Введение каких элементов приводит к дополнительному упрочнению КМ на никелевой основе?

 

Рекомендуемая литература:

1. [3]

2. [7]

Контрольные задания для СРС [3, 7]

1 Изучить технологию изготовления дисперсно-упрочненных компози-ционных материалов на никелевой основе.

 

6. Тематический план самостоятельной работы студента с преподавателем

 

Наименование темы СРСП	Цель занятия	Форма проведения занятия	Содержание задания	Рекомендуемая литература
Тема 1. Основные методы получе-ния металличес-ких наполнителей (6 час).	Углубление знаний по данной теме	Работа с литературой	Изучить влияние спо-соба получения по-рошков на их размер и форму.	[1, 4, 6, 7]
Тема 2. Смешива-ние  и подготовка дисперсных наполнителей (6 час).	Углубление знаний по данной теме	Работа с литературой	Отжиг, классифика-ция, смешивание.	[1, 6, 7, 10]
Тема 3. Изготовление пористых армирующих вставок. Виды брака (6 час).	Углубление знаний по данной теме	Работа с литературой	Атмосферы спекания и защитные засыпки. Изучить различные виды брака: коробле-ние, пережог, недопе-кание, окисление, скрытый расслой и др.	[1, 6, 10]
Тема 4. Условия к выбору техноло-гической схемы получения композиционных материалов. (6 час).	Углубление знаний по данной теме	Работа с литературой	Рассмотреть необхо-димые условия (ис-ходное сырье и техно-логию) для получения мало-, умеренно-, средне- и тяжело нагруженных деталей. Маркировка порошко-вых материалов в соответствии с ГОСТ	[2, 4, 9]
Тема5. Краткая характеристика изделий из композиционныхх материалов. Защита от коррозии (6 час).	Углубление знаний по данной теме	Работа с литературой	Характеристика анти-фрикционных, фрик-ционных, твердых сплавов,компактных порошковых материа-лов, металлокерами-ческих фильтров, контактов, магнитов; дисперсно-упрочнен-ных и волокнистых КМ. Рассмотреть воз-можные коррозион-ные процессы порош-ковых материалов.	[1, 2, 6, 7, 10]
Тема 6. Схемы армирования ком-позиционных ма-териалов и рас-пределение на-полнителя (8 час).	Углубление знаний по данной теме	Работа с литературой	Разобрать схемы армирования КМ (од-ноосное, двуосное и трехосное) и распо-ложение наполните-лей в них.	[3, 4, 6]
Тема 7. Способы изготовления во-локнистых ком-позиционных ма-териалов (7 час).	Углубление знаний по данной теме	Работа с литературой	Изучить пластичес-кую деформацию во-локнистых КМ, свар-ку взрывом, а также пропитку армирую-щих элементов.	[3, 4, 6]

 

7 Материалы для контроля знаний студентов в период рубежного контроля и итоговой аттестации.

 

7.1 Тематика письменных работ по дисциплине

Тематика контрольных работ

1. Композиционные материалы с металлической матрицей.

2. Композиционные материалы с двумерными армирующими элементами.

 

Тематика рефератов

1. Применение  композиционных материалов и покрытий в машиностроении.

2.  Дисперсно-упрочненные композиционные материалы.

3. Волокнистые композиционные материалы.

4. Керамические композиционные материалы.

5. Применение углеродных волокон в композиционных материалах.

6.  Импульсное формообразование.

7. Шликерное литье.

 

7.2 Вопросы для самоконтроля

1. Какие  материалы  и изделия можно получать методами порошковой металлургии?

2. Какие преимущества имеют методы порошковой металлургии?

3.  Какими свойствами характеризуются металлические порошки?

5. Химические свойства металлических порошков.

6. В каком виде могут находиться примеси в порошках?

7. Происхождение примесей в порошках?

8.  Как влияет размер порошка на свойства спеченных материалов?

10. Какими методами определяют гранулометрический состав порошка?

11. От каких факторов зависит морфология порошковых частиц?

12. Какие формы могут иметь порошковые частицы?

13. Понятие «удельная поверхность порошка».

14. От каких факторов зависит удельная поверхность порошка?

15. От каких факторов зависит плотность частицы порошка?

16. Какие свойства металлических порошков относят к технологическим?

17. Что понимают под насыпной плотностью порошка?

18. Дайте определение понятиям «текучесть, прессуемость, спекаемость».

19.Как определяются формуемость и уплотняемость порошковых мате-риалов?

20. Как классифицируются способы получения порошков?

21.  Какие способы получения порошков относятся к механическим?

22. В чем сущность способов химического восстановления?

23. Какие вещества применяют в качестве восстановителей?

24.   В чем заключаются подготовительные операции получения изделий?

25. Какие вещества используют в качестве пластификаторов?

26. Каково назначение пластификаторов?

27. Какое оборудование применяют для смешивания порошков?

28.   В чем заключается сущность шликерного литья?

29. Технология прокатки  и двухслойных материалов.

30. Какие материалы получают выдавливанием порошка?

31. С какой целью применяют процесс спекания заготовок?

32. Какие виды спекания применяют для порошковых материалов?

33. В чем сущность спекания однокомпонентных систем?

34. В чем сущность спекания многокомпонентных систем?

35. Какие процессы одновременно протекают при спекании?

36. Чем обусловлен механизм процесса спекания?

37.  С какой целью искусственно активизируют процесс спекания?

38. Назовите наиболее распространенные методы активизации процессов спекания.

39. В чем заключается специфика термической обработки порошковых изделий?

40. С какой целью применяют различные виды химико-термической обработки порошковых изделий?

41. В чем заключается термомеханическая обработка?

42. Особенности механической обработки композиционных материалов.

43. Как классифицируют конструкционные композиционные материалы?

44. От каких факторов зависят свойства порошковых материалов?

45.  Как маркируют порошковые конструкционные материалы (КМ)?

46. Какие материалы называются композиционными?

47. Как классифицируют композиционные материалы?

48. От каких факторов зависят свойства КМ?

49. На какие группы подразделяются наполнители КМ?

50. Какие наполнители используют при линейном, плоском и объемном армировании?

51. Какова структура и свойства дисперсно-упрочненных КМ?

52. Какова роль дисперсных частиц в дисперсно-упрочненных КМ?

53. Какие операции входят в технологическую схему получения дисперс-но-упрочненных КМ?

54. Охарактеризуйте каждую операцию технологии получения дисперс-но-упрочненных КМ.

55.Какие способы смешивания исходных порошков применяют при изготовлении дисперсно-упрочненных КМ?

56. Какие структуры могут иметь дисперсно-упрочненные КМ?

57. Для чего применяют экструзию дисперсно-упрочненных материалов?

58. Какова структура и свойства волокнистых КМ?

59.  Какие вещества используют в качестве матриц в неметаллических КМ?

60. За счет чего обеспечивается прочность связи в металлических КМ?

61. За счет чего осуществляется связь в неметаллических КМ?

62. Технологические схемы для изготовления волокнистых КМ.