Упрочнение алюмоматричных композиционных материалов триботехнического назначения наноразмерными частицами циркония, молибдена, вольфрама
Усовершенствована технология получения нанопорошков оксидов и карбидов переходных и тугоплавких металлов (молибден, цирконий, вольфрам) электроискровым методом, разработаны оптимальные технологические режимы их получения. Разработана технология формирования нано-микрогранул и нанесения нанодисперсны...
Saved in:
| Published in: | Процессы литья |
|---|---|
| Date: | 2015 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
2015
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/160465 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Упрочнение алюмоматричных композиционных материалов триботехнического назначения наноразмерными частицами циркония, молибдена, вольфрама / А.С. Затуловский, А.А. Щерецкий, В.А. Щерецкий // Процессы литья. — 2015. — № 3. — С. 57-62. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-160465 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Затуловский, А.С. Щерецкий, А.А. Щерецкий, В.А. 2019-11-06T20:56:57Z 2019-11-06T20:56:57Z 2015 Упрочнение алюмоматричных композиционных материалов триботехнического назначения наноразмерными частицами циркония, молибдена, вольфрама / А.С. Затуловский, А.А. Щерецкий, В.А. Щерецкий // Процессы литья. — 2015. — № 3. — С. 57-62. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0235-5884 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/160465 669.15-194 Усовершенствована технология получения нанопорошков оксидов и карбидов переходных и тугоплавких металлов (молибден, цирконий, вольфрам) электроискровым методом, разработаны оптимальные технологические режимы их получения. Разработана технология формирования нано-микрогранул и нанесения нанодисперсных порошков непосредственно на порошок алюминиевого матричного сплава термомеханическим методом. Разработан метод пропитки нано-микрогранул расплавами на основе алюминия, который позволяет получать КМ с наноразмерными упрочнителями в количестве от 0,5 до 3 %мас. Получены нанокомпозиты на основе литейных алюминиевых сплавов с повышенными триботехническими характеристиками. Удосконалено технологію одержання нанопорошків оксидів і карбідів перехідних та тугоплавких металів (молібден, цирконій, вольфрам) електроіскровим методом, розроблено оптимальні технологічні режими їх одержання. Розроблено технологію формування нано-мікрогранул та нанесення нанодисперсних порошків безпосередньо на порошок алюмінієвого матричного сплаву термомеханічним методом. Розроблено метод просочування нано-мікрогранул розплавами на основі алюмінію, що дозволяє одержувати КМ з нанорозмірними зміцнювачами в кількості від 0,5 до 3 %мас. Одержано нанокомпозити на основі ливарних алюмінієвих сплавів з підвищеними триботехнічними характеристиками. Electric-spark production method for nanopowder oxides and carbides producing of transition refractory metals (molybdenum, zirconium, wolfram) was improved and optimal technological modes had developed. There developed the method of thermo mechancal fixation of nanopowders directly onto the aluminium powders with formation of nano-micropellets. A consolidation technology of nano-micropellets by impregnation of aluminium melts was developed which allows to obtain nanosized CM with reinforcement an amount of from 0.5 up to 3 %wt. of nanopowders. Obtained nanocomposites based on cast aluminum alloys with improved tribological characteristics. ru Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України Процессы литья Новые литые материалы Упрочнение алюмоматричных композиционных материалов триботехнического назначения наноразмерными частицами циркония, молибдена, вольфрама Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Упрочнение алюмоматричных композиционных материалов триботехнического назначения наноразмерными частицами циркония, молибдена, вольфрама |
| spellingShingle |
Упрочнение алюмоматричных композиционных материалов триботехнического назначения наноразмерными частицами циркония, молибдена, вольфрама Затуловский, А.С. Щерецкий, А.А. Щерецкий, В.А. Новые литые материалы |
| title_short |
Упрочнение алюмоматричных композиционных материалов триботехнического назначения наноразмерными частицами циркония, молибдена, вольфрама |
| title_full |
Упрочнение алюмоматричных композиционных материалов триботехнического назначения наноразмерными частицами циркония, молибдена, вольфрама |
| title_fullStr |
Упрочнение алюмоматричных композиционных материалов триботехнического назначения наноразмерными частицами циркония, молибдена, вольфрама |
| title_full_unstemmed |
Упрочнение алюмоматричных композиционных материалов триботехнического назначения наноразмерными частицами циркония, молибдена, вольфрама |
| title_sort |
упрочнение алюмоматричных композиционных материалов триботехнического назначения наноразмерными частицами циркония, молибдена, вольфрама |
| author |
Затуловский, А.С. Щерецкий, А.А. Щерецкий, В.А. |
| author_facet |
Затуловский, А.С. Щерецкий, А.А. Щерецкий, В.А. |
| topic |
Новые литые материалы |
| topic_facet |
Новые литые материалы |
| publishDate |
2015 |
| language |
Russian |
| container_title |
Процессы литья |
| publisher |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| format |
Article |
| description |
Усовершенствована технология получения нанопорошков оксидов и карбидов переходных и тугоплавких металлов (молибден, цирконий, вольфрам) электроискровым методом, разработаны оптимальные технологические режимы их получения. Разработана технология формирования нано-микрогранул и нанесения нанодисперсных порошков непосредственно на порошок алюминиевого матричного сплава термомеханическим методом. Разработан метод пропитки нано-микрогранул расплавами на основе алюминия, который позволяет получать КМ с наноразмерными упрочнителями в количестве от 0,5 до 3 %мас. Получены нанокомпозиты на основе литейных алюминиевых сплавов с повышенными триботехническими характеристиками.
Удосконалено технологію одержання нанопорошків оксидів і карбідів перехідних та тугоплавких металів (молібден, цирконій, вольфрам) електроіскровим методом, розроблено оптимальні технологічні режими їх одержання. Розроблено технологію формування нано-мікрогранул та нанесення нанодисперсних порошків безпосередньо на порошок алюмінієвого матричного сплаву термомеханічним методом. Розроблено метод просочування нано-мікрогранул розплавами на основі алюмінію, що дозволяє одержувати КМ з нанорозмірними зміцнювачами в кількості від 0,5 до 3 %мас. Одержано нанокомпозити на основі ливарних алюмінієвих сплавів з підвищеними триботехнічними характеристиками.
Electric-spark production method for nanopowder oxides and carbides producing of transition refractory metals (molybdenum, zirconium, wolfram) was improved and optimal technological modes had developed. There developed the method of thermo mechancal fixation of nanopowders directly onto the aluminium powders with formation of nano-micropellets. A consolidation technology of nano-micropellets by impregnation of aluminium melts was developed which allows to obtain nanosized CM with reinforcement an amount of from 0.5 up to 3 %wt. of nanopowders. Obtained nanocomposites based on cast aluminum alloys with improved tribological characteristics.
|
| issn |
0235-5884 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/160465 |
| citation_txt |
Упрочнение алюмоматричных композиционных материалов триботехнического назначения наноразмерными частицами циркония, молибдена, вольфрама / А.С. Затуловский, А.А. Щерецкий, В.А. Щерецкий // Процессы литья. — 2015. — № 3. — С. 57-62. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT zatulovskiias upročneniealûmomatričnyhkompozicionnyhmaterialovtribotehničeskogonaznačeniânanorazmernymičasticamicirkoniâmolibdenavolʹframa AT ŝereckiiaa upročneniealûmomatričnyhkompozicionnyhmaterialovtribotehničeskogonaznačeniânanorazmernymičasticamicirkoniâmolibdenavolʹframa AT ŝereckiiva upročneniealûmomatričnyhkompozicionnyhmaterialovtribotehničeskogonaznačeniânanorazmernymičasticamicirkoniâmolibdenavolʹframa |
| first_indexed |
2025-11-27T03:19:02Z |
| last_indexed |
2025-11-27T03:19:02Z |
| _version_ |
1850796775895465984 |
| fulltext |
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 3 (111) 57
Новые литые материалы
УДК: 669.15-194
а. С. Затуловский, а. а. Щерецкий, в. а. Щерецкий
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев
УпрочНеНие алюмоматричНых КомпоЗициоННых
материалов триботехНичеСКого НаЗНачеНия
НаНораЗмерНыми чаСтицами цирКоНия,
молибДеНа, вольфрама
Усовершенствована технология получения нанопорошков оксидов и карбидов переходных
и тугоплавких металлов (молибден, цирконий, вольфрам) электроискровым методом,
разработаны оптимальные технологические режимы их получения. Разработана технология
формирования нано-микрогранул и нанесения нанодисперсных порошков непосредственно
на порошок алюминиевого матричного сплава термомеханическим методом. Разработан
метод пропитки нано-микрогранул расплавами на основе алюминия, который позволяет
получать КМ с наноразмерными упрочнителями в количестве от 0,5 до 3 %мас. Получены
нанокомпозиты на основе литейных алюминиевых сплавов с повышенными триботехничес-
кими характеристиками.
Ключевые слова: алюмоматричные композиты, нанопорошки, упрочнение, триботехниче-
ские свойства.
Удосконалено технологію одержання нанопорошків оксидів і карбідів перехідних та тугоплав-
ких металів (молібден, цирконій, вольфрам) електроіскровим методом, розроблено оптималь-
ні технологічні режими їх одержання. Розроблено технологію формування нано-мікрогранул
та нанесення нанодисперсних порошків безпосередньо на порошок алюмінієвого матричного
сплаву термомеханічним методом. Розроблено метод просочування нано-мікрогранул роз-
плавами на основі алюмінію, що дозволяє одержувати КМ з нанорозмірними зміцнювачами в
кількості від 0,5 до 3 %мас. Одержано нанокомпозити на основі ливарних алюмінієвих сплавів
з підвищеними триботехнічними характеристиками.
Ключові слова: алюмоматричні композити, нанопорошки, зміцнення, триботехнічні влас-
тивості.
Electric-spark production method for nanopowder oxides and carbides producing of transition
refractory metals (molybdenum, zirconium, wolfram) was improved and optimal technological
modes had developed. There developed the method of thermo mechancal fixation of nanopowders
directly onto the aluminium powders with formation of nano-micropellets. A consolidation technol-
ogy of nano-micropellets by impregnation of aluminium melts was developed which allows to obtain
nanosized CM with reinforcement an amount of from 0.5 up to 3 %wt. of nanopowders. Obtained
nanocomposites based on cast aluminum alloys with improved tribological characteristics.
Keywords: aluminium based composites, nanopowders, reinforcement, tribological characteristics.
58 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 3 (111)
Новые литые материалы
Повышение уровня триботехнической стойкости алюминиевых сплавов сильно
ограничено в связи со склонностью алюминиевой матрицы к схватыванию в
парах трения со стальным контртелом. Повысить износостойкость таких матери-
алов и обеспечить их устойчивую работу возможно комплексным упрочнением(то
есть созданием композиционного материала, КМ) частицами различного функ-
ционального назначения. Высокая износостойкость КМ должна сочетаться с тех-
нологичностью и экономичностью производства трибоизделий [1]. Для Украины
разработка и внедрение новых износостойких материалов из отечественных недо-
рогих компонентов особенно актуальна из-за отсутствия собственного сырья ряда
цветных металлов и высокой стоимости импортных трибоматериалов. В научной
литературе существует большое количество работ, посвящённых разработке но-
вых функциональных материалов, упрочненных высокопрочными дисперсными
наполнителями [2-7], в которых доказана эффективность замены мономатери-
алов (сплавов) на КМ в изделиях, работающих в режиме трения. Такая замена по-
зволяет повысить надежность и уменьшить вес изделий. Тем не менее, в мире до
сих пор не создано эффективных литейных технологий ввода ультрадисперсных и
наноразмерных экзогенных частиц в металлическую матрицу.
Одной из перспективных литейных технологий получения КМ является «in-situ»
процесс – формирование упрочняющей фазы непосредственно в металлической
матрице. Реализация этого метода достигается путём контролированного распада
пересыщенного твёрдого раствора или термохимического синтеза (ТХС) в резуль-
тате взаимодействия реагентов и матричного сплава.
Реализация «in-situ» процесса методом ТХС с формированием наноразмерных
продуктов реакций возможна в рамках твёрдофазных реакций, так как в этом случае
рост фаз ограничен низким уровнем диффузии. В качестве реагентов для синтеза
дисперсной фазы при контакте с литейными алюминиевыми сплавами АК7 и АК12
использовали солевые системы Ni(СН3СОО)
3
, K
2
ZrF
6
, ZrOCl
2
. Исследование распада
солевых систем и их взаимодействия с алюминиевыми расплавами проводили с
помощью синхронного термического анализа. Образцы нагревали в потоке аргона
или воздуха до температуры 900 0С. NiAс относительно легко теряет сорбированную
и связанную воду; полное удаление воды происходит уже при 200 0С. Разложение
ацетата никеля на воздухе проходит по реакции (1):
2Ni(СН3СОО)3 + 12O2 → Ni2O3 + 12CO2 + 9H2O. (1)
В среде инертного газа (высокочистого аргона) это разложение проходит по
другой схеме, о чём свидетельствует поглощение системой тепла при температуре
310 0С. В этом случае рентгенофазные исследования выявили фазы свободного
углерода и никеля в продуктах разложения, следовательно, в инертной атмосфере
пиролиз ацетата протекает следующим образом (2):
2Ni(СН3СОО)3 → 2Ni + 3CО + 9H2O + 9C. (2)
В результате такого разложения образуются ультрадисперсные частицы углерода
и никеля. Введение в сплавы на основе алюминия до 1 %мас. ультрадисперсных
частиц никеля приводит к образованию значительного количества упрочняющих
наноразмерных интерметаллидов. Как показали наши исследования, процесс раз-
ложения K
2
ZrF
6
происходит в интервале 238- 576 0С, а при достижении температуры
796 0С начинается активное испарение продуктов распада. Таким образом, солевые
системы разрушаются, высвобождая активные компоненты, взаимодействие кото-
рых с базовым сплавом реализует эндогенное упрочнение, за счёт формирования
интерметаллидных соединений в алюминиевой матрице размером до 200 нм.
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 3 (111) 59
Новые литые материалы
Значительно большее влияние на триботехнические свойства оказывает введение
экзогенных высокомодульных частиц. Для ввода экзогенных частиц использовали
оригинальную технологию, основанную на методе вакуумно-компрессионной про-
питки порошковой смеси в литейной форме, которая объединяет преимущества
литейных и порошковых подходов. Идея разработанной технологии заключается в
пропитке металлическим расплавом формы, содержащей порошковую смесь, в со-
став которой входит порошок базового сплава алюминия и упрочняющие частицы.
Наноразмерные порошки получали электрофизическими методами: электрического
взрыва проводников (ЭВП) и электроискрового диспергирования (ЭИД) [8, 9].
Наноразмерные частицы осаждали на алюминиевый порошок из рабочей суспен-
зии в ультразвуковом поле с последующей сушкой и механической консолидацией
в течение 4 часов. Пропитку порошковой смеси расплавом производят без пред-
варительного прессования или спекания.
При помощи термического анализа на приборе STA 449F1 исследовали взаимо-
действие частиц с алюминиевыми сплавами. Высокодисперсные частицы с помо-
щью ультразвукового диспергатора УЗДН-2М наносили на порошки алюминиевых
сплавов (А7, АД31, АК7, АК12 АК12М2МгН) с последующими сушкой и механической
фиксацией, что препятствует их агломерации. Матричные сплавы подбирали таким
образом, чтобы минимизировать возможность взаимодействия с частицами в про-
цессе получения КМ. Фазовый состав полученных порошков представлен в табл. 1, 2.
Изучение влияния наноразмерных частиц на твёрдость КМ проводили методом
автоматического наноиндентирования на приборе TI 950 TriboIndenter фирмы Hysitron
с приставкой нано-ДМА, что позволило не только установить твёрдость структурных
таблица 1. фазовый состав синтезированных порошков
оксидов (рабочая среда – вода)
Частицы Фазовый состав Содержание фаз, % Размер, нм
W (ЭИД)
W 80 29
W(OH)3 15 48
WO3 5 54
Мо (ЭИД)
Мо 50 27
Мо(ОН)3 40 43
МоО2 10 36
Zr (ЭИД)
Zr 4 –
ZrO2 49 60
Zr3-xOHx 1 37 90
Zr3-xOHx 2 10 130
W (ЭВП)
W 71,5 50
WO3 28,5 20
Zr (ЭВП) ZrО2 100 30
Мо (ЭВП)
Мо 60 35
МоО2 40 15
60 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 3 (111)
Новые литые материалы
составляющих размером 100 нм, но и получить карты распределения высокомо-
дульных частиц в матрице на участках 15 на 15 мкм с разрешением 100 нм (рис. 1).
Применение матричного индентирования матрицей из 16 инденторов позволило
оценить интегральное воздействие наноразмерных частиц на твёрдость материала в
целом. Как ожидалось, средняя твёрдость возрастает пропорционально количеству
вводимых высокомодульных частиц упрочнителей (рис. 2).
Триботехнические исследования проводили на машине трения МТ67 в паре
трения со стальным контртелом (40Х13) в условиях сухого трения, скорость трения
составляла 1 м/с, а время приработки 30 мин. Наиболее износостойкими показа-
ли себя образцы с карбидами вольфрама и молибдена. При этом ввод карбида
вольфрама в количестве 1-3 %мас. снижает коэффициент трения с 0,29 до 0,21, а
износостойкость повышается в 5-25 раз (рис. 3).
Результаты триботехнических испытаний алюмоматричных композиционных
материалов показали возможность применения разработанных материалов в про-
изводстве подшипников скольжения или же замене деталей трения в узлах меха-
низмов. Если говорить в целом, эффект от упрочнения наноразмерными частицами
значителен в узком диапазоне нагрузок и скоростей трения и при повышении на-
грузки интенсивность износа стремительно возрастает, что говорит о рациональ-
таблица 2. Состав синтезированных порошков карбидов
(рабочая среда – гексан)
Частицы Фазовый состав Содержание фаз, % Размер, нм
W (ЭИД)
WC1-x
WC0,85
75
25
40
20
Zr (ЭИД)
ZrC
Zr3C2
90
10
70
30
Mo (ЭИД)
MoC1-x
α-Mo2C
90
10
78
154
Рис. 1. Микроструктура КМ – Al
3
Zr в алюминиевой матрице, РЭМ SU8000 UHR FE-SEM (а);
карта распределения модуля потерь на поверхности КМ после матричного наноинден-
тирования – TI 950 TriboIndenter (б)
а б
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 3 (111) 61
Новые литые материалы
ности применения комплексного упрочнения алюминиевой матрицы упрочнителями
разного фракционного размера.
П
о
вы
ш
е
н
и
е
т
вё
р
д
о
ст
и
о
тн
о
си
те
ль
н
о
го
л
и
то
го
А
К
7
, %
1 2 3 4
Рис. 2. Влияние наноразмерных частиц на твёрдость матрицы сплава АК7 при со-
держании частиц, %мас.: 1 – 0,5 ; 2 – 1; 3 – 1+1 ЛНУ (луковичные наноструктуры
углерода); 4 – 3
Рис. 3. Интенсивность износа композиционных мате-
риалов на основе сплава АК12 в зависимости от со-
става: 1 – АД31 + АК12; 2 – АД31 +3 % Mo (карбиды);
3 – АД31 +3 % W (карбиды); 4 – АД31 +3 % Mo (оксиды);
5 – АД31 +3 % W (оксиды)
1 2 3 4 5
62 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 3 (111)
Новые литые материалы
1. Затуловский С. С. Исследование триботехнических и эксплуатационных характеристик
ЛКМ с матрицами из медных сплавов / С. С. Затуловский, А. С. Затуловский // Перспек-
тивные материалы. – 2005. – № 1. – С. 66-73.
2. Затуловский C. C. Концепция развития литых композиционных материалов / С. С. Затулов-
ский // Процессы литья. – 1997. – № 4. – С. 9-10.
3. Fridlyander J. N. Metal matrix composites. – Chapman & Hall. – 1995. – С. 682.
4. Михаленков К. В. Получение дисперстноупрочненных и композиционных материалов на
основе алюминия / К. В. Михаленков, В. Г. Могилатенко // Процессы литья. – 1996. –
№ 2. – С. 49-63.
5. Панфилов А. А. Разработка технологии и исследование свойств литых комбинированных
композиционных материалов системы Al-Ti-SiC. // автореф. дис... канд. техн. наук.
/ А. А. Панфилов. – Владимир, 2002. – С. 24.
6. Чернышова Т. А. Композиционные материалы с матрицей из алюминиевых сплавов, упро-
чнённых частицами, для пар трения скольжения / Т. А. Чернышова, Ю. А. Курганова, Л. И. Ко-
белева //Конструкции из композиционных материалов. Межотраслевой научно-техниче-
ский журнал. – 2007. – Вып. 3. – С. 38-48.
7. Гаврилин И. В. Актуальные вопросы теории дисперсных систем на основе литейных сплавов
// Суспензионное и композиционное литье. – 1988. – С. 41-43.
8. Малые металлические частицы: способы получения, атомная и электронная структура,
магнитные свойства и практическое использование / К. В. Чуистов, А. П. Шпак,
А. П. Перекос и др. // Успехи физ. мет. – 2003. – № 4. – С. 235-269.
9. Шпак А. П. Кластерные и наноструктурные материалы / А. П Шпак, Ю. А. Куницкий,
В. Л. Карбовский. – Киев: Академпериодика. – 2001. – Т 1. – С. 587.
Поступила 19.02.2015
УДК 669.018:538.4:532.695
а. а. паренюк
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев
перСпеКтивы примеНеНия меДНых Сплавов
моНотеКтичеСКих СиСтем КаК материала
Для тоКоСЪЁмНых вСтавоК
На ЭлеКтротраНСпорте
Проведен поиск оптимального материала для токосъёмных вставок железной дороги.
Произведён анализ токосъёмных пластин, применяемых в Украине. Показаны недостатки
существующих материалов и невозможность их значительного улучшения традиционными
методами. Рассмотрена возможность использования сплавов монотектических систем на
основе меди как материала для токосъёмных вкладок на электротранспорте, при условии
формирования структуры с низколегированной матрицей и мелкодисперсными включениями
тугоплавкой фазы, равномерно распределенной в объёме сплава.
|