Композиционный материал на основе меди ВИАМ/2010-205321 Гращенков Д.В.
реклама
ВИАМ/2010-205321 Композиционный материал на основе меди Гращенков Д.В. кандидат технических наук Ефимочкин И.Ю. Ломов С.Б. Гончаров И.Е. Март 2010 1 Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ) – крупнейшее российское государственное материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет разрабатывающее и производящее материалы, определяющие облик современной авиационно-космической техники. 1700 сотрудников ВИАМ трудятся в более, чем в 30-ти научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных цехах и испытательном центре, а также в 4-х филиалах института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку металлических и неметаллических материалов, покрытий, технологических процессов и оборудования, методов защиты от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов, полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по государственным программам РФ, так и по заказам ведущих предприятий авиационно-космического комплекса России и мира. В 1994г. ВИАМ присвоен статус Государственного научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный. За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233 сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены наградами на выставках Международных салонах в Женеве и Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3 бронзовыми медалями, получено 15 дипломов. Возглавляет институт лауреат Государственных премий СССР и РФ, Академик РАН Е.Н.Каблов. 2 Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public 3 Композиционный материал на основе меди Гращенков Д.В., Ефимочкин И.Ю., Ломов С.Б., Гончаров И.Е. Всероссийский институт авиационных материалов. Изготовлен композиционный материал медь - квазикристалл системы Аl-Cu-Fe и исследованы его механические и трибологические свойства. Введение Огромный интерес к квазикристаллам вызвал ряд исследовательских работ по изучению их свойств и практическому применению. Следует отметить, что высокая хрупкость при комнатной температуре ограничивает применение массивных квазикристаллов, поэтому перспективы технических применений квазикристаллов связаны с их изготовлением, с одной стороны, в виде пленочных покрытий, а с другой – в виде порошков различной дисперсности в качестве наполнителей разнообразных композиционных материалов, включая жидкие и консистентные смазки. Особенностью квазикристаллов является значительная зависимость свойств от микродобавок, что явно показывает возможность управления этими свойствами за счёт допирования дополнительными элементами. Например, допирование квазикристаллов системы Al-Cu-Fe бором позволяет повысить их механические свойства и понизить коэффициент трения. Существенное улучшение триботехнических характеристик металлов и сплавов только за счет легирования уже не достаточно. Существует громадный резерв влияния на триботехнические характеристики металла за счет модифицирования структуры, что может быть достигнуто при 4 улучшении свойств межфазовых границ, изменении концентрации и распределения дефектов, фазовых составляющих, армировании материала различными дисперсными элементами. Использование квазикристаллов позволяет уменьшить коэффициент трения, износ, истирание и прихватывание по поверхностям подвижного контакта трущейся пары. В связи с этим, перспективным выглядит практическое использование квазикристаллов в качестве армирующего наполнителя в материалах движущихся частей моторов, редукторов и в подшипниках качения и скольжения [1-4]. Медь в отожженном состоянии обладает высокими пластическими свойствами, но относительно невысокой прочностью. Холодная деформация заметно улучшает прочность, но резко понижает пластичность. Но при армировании медной матрицы квазикристаллами можно получить материал, сочетающий в себе статическую прочность, твердость и пластичность – основные требования износостойкости. В настоящее время материалы, содержащие квазикристаллы, ещё не представлены на внутреннем рынке России, что связано с высокой сложностью технологии их изготовления и требованиями по точности задания состава и выдержки технологических параметров синтеза. При этом исходные материалы не являются дефицитными, а технология их переработки укладывается в рамки технического оснащения производимым в России технологическим оборудованием. Использование квазикристаллов в композиционных материалах (КМ) может дать хороший практический результат. КМ классифицируют по геометрии наполнителя на три группы: I. КМ с нуль-мерным (или зернистым) наполнителем, размеры которого в трех измерениях имеют один и тот же порядок; 5 II. КМ с волокнистым наполнителем, один из размеров которого значительно превосходит третий; III. КМ с двумерным наполнителем, размеры которых значительно превосходит третий. КМ, армированные квазикристаллами, относятся к 1 группе, для которой равномерное распределение наполнителя является условием получения полноценного материала. В данной работе в процессе изготовления композиционного материала использовался метод механического легирования. Это относительно простой и недорогой путь производства из порошков гранул – полупродуктов для последующего изготовления КМ. Идеей процесса механического легирования является получение гранул с контролируемой микроструктурой, что позволяет получать дисперсноупроченные композиты с равномерным распределением частиц упрочнителя, чего трудно добиться иными методами. Методики испытаний Фазовый состав квазикристаллического рентгенофазовым методом по ММ материала контролировали 1.595-17-222 на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3. Механические испытания проводили на разрывной машине “INSTRON 1195” по ГОСТ 4765-73, ОСТ 6-10-411-77, ГОСТ 11262 – 80. Микрострукруру образцов исследовали методом растровой электронной микроскопии с помощью электронного микроскопа JSM-840 по ММ 1.59512-347-2008. Подготовку образцов проводили на оборудовании металлографического центра фирмы Struers. Образцы запрессовывали на установке «Labopress-3» в токопроводящую обойму. При приготовлении микрошлифов использовали шлифовально-полировальный станок «RotoPol-21». 6 Для определения трибологических свойств проводили испытания на трение и износ при Руд═ 0,3 МПа, скорости взаимного перемещения 0,11 м/с; контртела – образцы из стали 30ХГСА, среда – воздух. Содержание работы Для лучшего распределения квазикристаллического наполнителя по объему матричного материала, при получении композиционного материала медь – квазикристалл системы Al-Cu-Fe, допированный бором, использовался метод механического легирования, процесс проводили в атмосфере аргона. Далее гранулы брикетировали при Т=700-750ºС и экструдировали при температуре нагрева брикета 700-850ºС. Полученные прутки КМ обрабатывались на токарном станке. Методом растровой микроструктура электронной образцов КМ на микроскопии основе была меди, исследована армированного квазикристаллами системы Al-Cu-Fe, допированными бором. Для оценки микроструктуры образцов и равномерности распределения частиц квазикристаллов в матрицах были изготовлены микрошлифы в продольном и поперечном направлениях экструзии (рис. 1). Исследования КМ показали, что в медной матрице частицы квазикристаллов распределены равномерно, они однородны по размеру, самые крупные из них ~1-2 мкм. Самую выраженную направленность структуры имеют образцы продольных шлифов. Все зерна имеют тонкую слоистую структуру. 7 а) б) Рисунок 1. Микроструктура образца KM с квазикристаллами после экструзии: а- продольный шлиф, б - поперечный шлиф Свойства полученных образцов КМ сравнивали со свойствами выпускаемымых серийно порошковых бронз марок ПА-БрОХ и ПА-БрОХН, применяемыми для деталей и узлов трения, работающих при средних и тяжелых нагрузках и незначительных скоростях скольжения. Для более полного представления о свойствах разрабатываемых КМ приведены эксплуатационные свойства латуни ЛМц58-2Л используемой для изготовления антифрикционных вкладышей прокладок и уплотнений, работающих в различных диапазонах нагрузок и температур, таблица 1. Таблица 1 Эксплуатационные свойства КМ и аналогов Материал Предел прочности, σв МПа Коэффициент трения без смазки КМ, Cu матрица 470-600 0.4 Медь 300 0.4 ПА БрОХ [5] 176 0.7 ПА БрОХН [5] 215 0.7 ЛМц58-2Л [5] 350 0.32 8 Анализ результатов Рентгенофазовый анализ, проводившийся на протяжении всего цикла работ, показал хорошее качество исходного квазикристаллического порошка, а также наличие его в матрице после каждой проводимой операции при получении КМ. Методом растровой электронной микроскопии было определено, что в медной матрице частицы квазикристаллов распределены равномерно, чему способствовал метод механического легирования. Анализ данных, композиционный приведенных материал в таблице медная – 1, показывает, матрица, что армированная квазикристаллами, допированными бором, по прочности и коэффициенту трения превосходит материалы аналогичного применения, однако у латуни коэффициент трения ниже, но предел прочности почти в два раза меньше. Выводы 1. Применение механического легирования позволило достигнуть равномерного распределения армирующих элементов, что затруднено при обычном смешивании порошков. 2. Композиционный квазикристаллами, материал – медная допированными матрица, бором, по армированная прочности и коэффициенту трения превосходит порошковые бронзы ПА БрОХ, ПА БрОХН и аналогичные им литые бронзы марок БрО5Ц5С5, БрО12, БрАЖ9-4. 9 Список литературы 1. Metals Handbook: Desk Edition, Ed. by H. E. Boyer and T. L. Gall. ASM, Metals Park, Ohio, 1985. 2. Y. Yokoyama, et al.//Mat. Trans. JIM,.1993.34.pp. 135-145. 3. A.P. Tsai, et al.//Jpn. J. Appl. Phys.1992.31. p. 2530. 4. S. Takeuchi, et al.//Jpn. J. Appl. Phys.1991.30. p. 561. 5. Металлические порошки и порошковые материалы: Справочник под ред. Ю.В. Левинского. М.: «ЭКОМЕТ», 2005. 10
