Формирование регламентированной структуры

в гетерогенных материалах за счет Использования пластической деформации

 

Ласковнев А.П., Покровский А.И., Хроль И.Н.

(Физико-технический институт НАН Беларуси, г.Минск, Беларусь)

 

The approach is suggested to achieving the formation of regulated structures in heterogeneous materials of various classes. In addition to optimum ratio of composition components it involves the use of preset-degree plastic deformation action. Along with forming of item the use of deformation is aimed at the possibility of effective controlling of shape, location and orientation of matrix phase inclusions.

The investigation has been made of three groups of heterogeneous materials including those based on 1) aluminum alloy with inclusions of powder-like graphite, 2) iron with graphite inclusions of definite fibrous shape and 3) copper fibers that are specifically oriented in polyurethane matrix.

The technologies developed enable fabrication of bush-like items with improved performance characteristics from these materials.

 

Предложен подход к формированию регламентированной структуры для различных классов гетерогенных материалов. Он заключается в том, что помимо оптимального соотношения компонентов в композиции, используют воздействие пластической деформации с фиксированной степенью. Ее главной целью (кроме формообразования изделия), является возможность эффективно управлять формой, расположением, ориентацией включений в матричной фазе.

Основываясь на этом подходе, исследованы три группы гетерогенных материалов: 1) на основе алюминиевого сплава, легированного кремнием или медью, с включениями порошкообразного графита; 2) на основе чугуна, с включениями графита регламентированной волокнистой формы; 3) на основе медных волокон, особым образом ориентированных в полиуретановой матрице. Разработаны технологические приемы, позволяющие изготавливать из данных материалов изделия типа втулок с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

1. Для алюминиевых сплавов с добавками кремния или меди исследовали технологические параметры обработки и определяли оптимальное количество вводимого графитного порошка. Установлено, что наиболее эффективно содержание графита около 10% с равномерным распределением по сечению.

Исследовали два варианта введения графита. 1). При литье (опробовали литье под давлением, центробежное литье) графит вводили в расплав в виде специальной графитсодержащей лигатуры для предотвращения его всплывания и выгорания. 2) При получении композиции методами порошковой металлургии использовали установку центробежного распыления, печь, мельницу, смеситель.

Методами пластической деформации из алюмо-графитового композита изготовлены втулки различного назначения (рис. 1): подшипники скольжения привода топливного насоса, втулки распредвала и шестеренчатых насосов.

 

 

Важной особенностью процесса является возможность использования вторичных отходов алюминия в виде стружки. Получаемые детали дешевле, чем аналогичные, изготовленные из бронз, латуней, баббитов.

Технические характеристики алюмографитового композита: твердость 30-140 НВ, предел прочности - 150-400 МПа, относительное удлинение - 0,2-10 %, плотность - 2,5-2,7 г/см³, коэффициент трения в паре со сталью при ограниченной подаче смазки 0,007-0,020.

2. Для чугунов с различной формой графита и металлической матрицей исследовали их способность подвергаться горячей пластической деформации. Определены наиболее технологичные классы чугунов. Исследована взаимосвязь между химическим составом, структурой и свойствами чугуна в литом и деформированном состояниях и их анизотропию. Установлено повышение комплекса характеристик чугуна после деформации в 1,5-2 раза. Наиболее яркой особенностью структуры деформированного чугуна оказалось формирование графитных включений необычной волокнистой формы, степень вытянутости которых зависит от степени деформации (рис. 2).

 

 

Наработанные по деформированию чугуна «ноу-хау» включают в себя: конкретные схемы легирования, режимы предварительной термообработки для улучшения деформируемости, конструкции штамповой оснастки, температурно-силовые параметры деформирования, режимы окончательной термообработки.

Предложена технология изготовления деталей типа втулок (например, для уплотнительных или поршневых колец, рис. 2), которая включает: получение литой заготовки, предварительную термическую обработку для снижения твердости и повышения пластичности, механическую обработку, нагрев заготовки, горячую пластическую деформацию в специальной оснастке на серийном кузнечно-штамповочном оборудовании, окончательную термическую обработку и окончательную механическую обработку (шлифовку).

 

 

Установлено, что для различных деталей целесообразно иметь особое расположение вытянутых графитных включений, относительно сопрягаемой детали. Например, для уплотнительных колец на поверхности трения целесообразно иметь поперечное расположение графитных включений округлой формы, а на поверхности трения поршневых колец – продольное, вытянутой формы.

Доказан факт ускорения протекания ряда фазовых превращений после деформирования чугуна. На основе этого предложена идея специально создаваемого градиента степени деформации по сечению заготовки при выдавливании, то есть формирования в различных зонах изделия структур с разной формой и ориентацией графитных включений и различной металлической матрицей.

3. Для материалов на основе медных волокон исследовали оптимальное соотношение количества волокон и пор в уплотнительных элементах. Установлено, что объем поровых (воздушных) каналов не должен превышать 20-30%. А наиболее высокие характеристики пластичности медного композита получены, когда поры заполнены полиуретаном. Проведены исследования оптимальной ориентации медных волокон на поверхностях, контактирующих с герметизируемыми. Установлено, что наиболее благоприятное расположение – параллельное контактируемым поверхностям.

Получаемые с использованием пластической деформации уплотнительные прокладки могут быть использованы в автотракторной технике

Важной особенностью предлагаемых уплотнительных колец из медных  волокон является возможность вовлечения в производство до сих пор, не использующихся отходов медной сечки. Медная сечка в достаточно больших объемах остается при производстве кабельной продукции и проводов в республике Беларусь, а ее переплав затруднен значительной степенью угара.

Выводы.

1. В изделиях из гетерогенных материалов очень важна форма, расположение и ориентация частиц второй фазы.

2. Использование пластической деформации при обработке гетерогенных материалов помимо собственно формообразования изделия, позволяет эффективно управлять формой, расположением, ориентацией включений в матричной фазе.

3. Для ряда изделий пластическая деформация служит эффективным инструментом получения слоистой анизотропной структуры. Продольное или поперечное расположение волокон оказывает кардинальный эффект на свойства изделий.

4. Помимо получения ориентированной структуры во всем объеме изделия, для ряда деталей целесообразно, основываясь на разной скорости фазовых превращений после пластической деформации, создавать градиентные (различные в объеме детали) структуры, соответствующие прилагаемым нагрузкам.