Диссертация (1026134), страница 4
Текст из файла (страница 4)
– коэффициент трения литого КМ АК12-10%SiC(40), f—коэффициент трения слоя, наплавленного прутком АК12-10%SiC(40) [22]Особенностью использования в качестве наполнителя КМ частиц SiCявляется их склонность к диссоциации под действием высоких температур [34].Легирование матричного сплава КМ кремнием в количестве 12 масс.% позволяетпредотвратить диссоциацию частиц SiC при дуговой наплавке [33]. Еще однойособенностью алюминиевых КМ системы Al-SiC является то, что при22увеличении массовой доли твердых частиц в сплаве свыше 10% по массе, данныематериалы перестают обладать антифрикционными свойствами, так какпроисходит увеличение коэффициента трения и износа контртела, что являетсянедопустимым для антифрикционных материалов [7,33]. Поэтому при выборесостава композиционного материала это ограничение необходимо учитывать.Таким образом, сравнение результатов испытаний на трение и износпоказало, что процесс аргонодуговой наплавки является наилучшим способомнанесения антифрикционных покрытий из КМ системы Al-SiC для достижениямаксимального уровня характеристик, при этом в качестве матричного сплаванеобходимо использовать сплавы с содержанием в них кремния 12 масс.%, адоля частиц SiC не должна превышать 10 масс.% для сохраненияантифрикционных свойств.1.3.
Нанесение покрытий из алюминиевых композиционных материаловна стальную основу1.3.1. Особенности создания соединений сталь-алюминийНесмотрянаотсутствиеопытаэкспериментальныхисследований,применение КМ системы Al-SiC в качестве антифрикционного покрытиястальных колодок подшипников скольжения паровых турбин представляетинтерес. Однако, получение сталеалюминиевых соединений сопряжено с рядомсложностей. При создании разъемного соединения сталь и алюминий создаютгальваническую пару, и для работы в подшипнике скольжения требуетсябольшая точность изготовления контактных поверхностей, что сопряжено сувеличением стоимости изделия.
Гораздо дешевле и надежнее представляетсявыбор неразъемных соединений между стальной основой и покрытием из КМсистемы Al-SiC. При этом следует учитывать особенности, связанные сразличиями свойств этих материалов и их металлургической несовместимостью,препятствующей получению неразъемного сталеалюминиевого соединения.Различие физических свойств стали и алюминия (Таблица 1), наличиетугоплавкой оксидной пленки на поверхности алюминия, а также химическое23взаимодействие этих металлов, приводящее к необратимому образованиюинтерметаллидных соединений на границе соединения, значительно осложняютполучение сталеалюминиевых неразъемных соединений.
Причем последнее изперечисленных препятствий можно считать основным [35].Таблица 1.Основные теплофизические параметры алюминия и железаПараметрАлюминийЖелезоКристаллическая решеткаГЦКОЦКПараметры решетки, Å4,0502,866Плотность, г/см32,77,8Теплопроводность, Вт/(м·К)203,5740,90,4Коррозионная стойкостьВысокаянизкаяЭлектропроводность, См/м37·10610·106Пластичность,%5040Температура плавления, °С6601536ОксидыAl2O3Fe3O420501600Удельная теплоемкость,Дж/(кг·К)Температура плавленияоксидов, °ССпособность материалов создавать неразъемное соединение определяетсявозможностью образовывать ряд непрерывных растворов этих материалов другв друге [36].
На взаимную растворимость оказывает влияние подобиекристаллических решеток растворителя и растворяемого компонента, различиезначений атомных радиусов компонентов и величина электроотрицательности,характеризующая энергию связи между двумя элементами (Рисунок 1.10).Железо и алюминий находятся на границе внешнего эллипса с большой осьюравной ±0,4 единицы электроотрицательности и малой осью равной ±15%разницы в атомных радиусах, что указывает на сложности образования твердых24растворов вследствие ограниченной взаимной растворимости этих металлов[37].абРисунок 1.10.Влияние атомного радиуса и электроотрицательности на растворимостьразличных элементов в твердом состоянии [37]:а – железо; б – алюминийРастворимость железа в твердом алюминии весьма незначительна: притемпературах в интервале 225 – 600°С она составляет 0,01 – 0,022%.
Приэвтектической температуре равной 654° она увеличивается до 0,053%, что такжеявляется недостатком для формирования неразъемного соединения [38].Предварительноесуждениеоструктурах,образующихсявжелезоалюминиевых соединениях, свойствах сталей, содержащих алюминий, иалюминиевых сплавах, содержащих железо, может быть сделано на основаниидиаграммы состояния железо-алюминий (Рисунок 1.11).25Рисунок 1.11.Диаграмма состояниея железо-алюминий [39–41]В соответствии с ней, алюминий с железом образует преимущественноинтерметаллидные соединения. При кристаллизации в структуре сплавов26алюминия, содержащих даже небольшое количество железа (от 1,8%),происходит образование интерметаллида FeАl3. Дальнейшее увеличениесодержания железа приводит к появлению химических соединений железа иалюминия разного стехиометрического состава, основными из которыхявляются: Fe2Al7 (~62,93% Al); Fe2Al5 (~54,71% Al); FeAl2 (~49,13% Al); FeAl(~32,57% Al), которые характеризуются высокой твердостью и низкойпластичностью (Таблица 2) [38].Таблица 2.Основные виды интерметаллидных соединений системы Fe-Al и ихсвойства [38,41]ИнтерметаллидТип кристаллическойрешеткиСодержаниеалюминия, ат.,%Микротвердость, HBσв прирастяжении,МПаσв присжатии,МПаFeAl3Fe2Al5FeAl2Fe2Al3FeAlМоноклиннаяОрторомбическаяТриклиннаяКубическаяDO3Кубическаяобъемноцентрированная74,5-76,570-7366-66,958-6523-5510501150910530151742>10045756098023-34400>100900Fe3AlПримечание:σв для А00=60 МПа;для АРМКО-железа =260 МПаИнтерметаллиды образуются по диффузионному механизму и являютсяединственными возможными фазами, образующимися на границе раздела сталейс алюминиевыми сплавами.
Поэтому для получения удовлетворительныхэксплуатационныххарактеристикособоезначениеприизготовлениисталеалюминиевых соединений необходимо уделять кинетике процессаобразования диффузионного слоя, состоящего из интерметаллидов. Этомувопросу посвящен ряд работ [38,42,43].Влияние температуры и времени взаимодействия алюминия со сталью накинетику образования интерметаллидов было изучено авторами работы [38].
Дляисключения влияния углерода на свойства интерметаллидов, образцы избиметаллаалюминий-АРМКО-железоизготавливалиметодом27однокомпонентной прокатки в холодном состоянии. Биметаллические образцыпомещали в запаянные кварцевые ампулы и отжигали в муфельных печах притемпературах от 300 до 650 ºC и времени выдержки от 0,25 до 8 часов(Таблица 3) [38].Таблица 3.Влияние температуры и времени выдержки на толщину интерметаллидногоТемператураотжига, ºСслоя между АРМКО-железом и алюминием [38]300Толщина интерметаллидного слоя, мкмпри выдержке, часыПримечания0,250,51236868910–5,18,510,21214––Итерметаллида нет400То же5005,7–8,514–15,81660010,71430,75156,685,8–630НетНет148199310420–65010,714168246384473–Со стороныалюминияСо стороныжелезаОбщаяОпределено, что увеличение температуры приводит к росту толщиныинтерметаллидного слоя даже при минимальном времени выдержки 0,25 ч, чтосвязано с повышением диффузионной подвижности атомов алюминия и железа.Влияние длительности выдержки при постоянной температуре нагрева натолщину слоя из интерметаллидов имеет аналогичный характер.
Однако,выдержка в течение максимального времени 6 часов при температурах до 500 ºCне вызывала роста интерметаллидного слоя более 16 мкм, в то время какувеличение температуры выше 500 ºC сопровождалось резким ростом скоростиобразования интерметаллидов, приводя к росту толщины интерметаллидногослоя до 10,7 мкм, а при выдержке в течение 8 часов толщина слоя увеличиласьдо 473 мкм. Отмеченная тенденция подтверждается результатами аналогичных28исследований биметаллических образцов, изготовленных сваркой взрывом,после воздействия на их поверхность лазерного излучения [42]. Авторыотмечают во всех случаях рост толщины интерметаллидного слоя на 12 - 38% посравнению с исходными образцами, полученными при сварке взрывом, однако вэтом исследовании не проводились измерения температур в области образованияинтерметаллидов.Авторы работы [43] приводят математическую зависимость толщиндиффузионного слоя отдельных фаз от времени нахождения стальной пластиныв жидкой алюминиевой ванне и температуры ванны.
Они определяютсяформулой 1.1:X=Kt0,5(1.1)где Х – толщина диффузионного слоя, м; t – время алитирования, сек; К –коэффициент, определяемый по формуле 1.2:К=K0exp(-Q/RT)(1.2)где К0 – константа, м/сек0,5; Q – энергия активации роста интерметаллидногослоя, Дж/моль (Таблица 4); Т – абсолютная температура, К; R – газоваяпостоянная, Дж/(моль·K).Величина энергии активации роста интерметаллидных фаз Fe2Al5, FeAl,Fe3Al указана в Таблице 4 [43].Таблица 4.Величины энергия активации роста интерметаллидных фаз [43]ИнтерметаллидЭнергия активации, кДж/мольF141FeAl180F260Время, необходимое для образования интерметаллидов при контактеразнородных металлов, в общем виде может быть определена по формуле 1.3.29Однако, значение этого времени для пары сталь-алюминий не установлено иможет меняться в зависимости от температуры взаимодействия металлов [44]:τк=τр+τд+τо.з.+τр.х.с(1.3)где τр – время ретардации (время релаксации межфазной поверхностнойэнергии); τд – время развития процессов гетеродиффузии до образованияпересыщенных твердых растворов; τо.з.
– время, необходимое для образованияустойчивых зародышей новых химических соединений; τр.х.с – времядальнейшего роста химических соединений.Наличие интерметаллидного слоя в диффузионной зоне на границесоединения стали с алюминием отрицательно сказывается на прочностныхсвойствах биметаллической конструкции, поскольку приводит к охрупчиваниюсоединения и уменьшению прочностных характеристик. Однако, строгойзависимости между основными параметрами (толщиной и стехиометрическимсоставом) диффузионной зоны из интерметаллидов и прочностными свойствамисоединения до сих пор не установлено.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
