Структура и свойства цинковых композиционных сплавов триботехнического назначения

Цинковые сплавы
триботехнического назначения

Основные направления повышения
триботехнических свойств цинковых сплавов
Термическая
обработка
Поиск новых систем легирования
Измельчение
структуры
Реализация принципа
армированной гетерофазной
структуры (использование
в качестве основы
композиционных сплавов)
Zn - SiC
Zn - Al2O3
Zn - Ti - SiC
Zn - C
Zn - TiB2
Zn - TiC
Zn - Al - Sb
Zn - Al - Si
Zn - Al - Mn
Zn - Al - Ni
Zn - Cu - P
Zn - Al - Cu - Sn
Интенсификация теплоотвода
при кристаллизации
Ввод модифицирующих
добавок (титан, таллий до 0,1%)
* Prusov E.S., Korobkov M.B., Kechin V.A. // Machines, Technologies, Materials. 2014. No.2. pp. 9-11

Общая характеристика литых
металломатричных композиционных сплавов
Металломатричные композиционные сплавы представляют собой особый класс гетерофазных материалов функционального и конструкционного назначения, состоящих из металлической основы (матрицы), армированной распределенными в ней тугоплавкими высокомодульными частицами эндогенного и экзогенного происхождения, не растворяющимися в металле матрицы при температурах получения и эксплуатации.
* Прусов Е.С., Панфилов А.А., Кечин В.А. // Литейщик России. 2011. №12. c. 35-40

Основные области применения металломатричных композиционных сплавов

Развитие объемов производства и применения
металломатричных композитов (прогноз)

Матричные материалы и армирующие компоненты композиционных сплавов

Жидкофазные способы получения
металломатричных композиционных сплавов
Способы экзогенного армирования
Способы эндогенного армирования
Ввод готовых армирующих частиц в матричный расплав
Формирование новых эндогенных фаз в результате реакций между компонентами-прекурсорами
Механическое замешивание
Ввод порошковых брикетов
* Прусов Е.С. [и др.] // Литейщик России. 2012. №9. c. 16-19

Цинк как основа композиционных сплавов
Преимущества цинка как матрицы
композиционных сплавов:
технологичность в процессах жидкофазного совмещения с армирующей фазой;
хорошие литейные свойства (высокая жидкотекучесть и малая усадка);
низкая склонность к образованию пористости и трещин в отливках;
снижение энергозатрат при производстве (на 20-25% по сравнению с Al и на 65-70% - с бронзами)
* J. Birch, 1990; Y. Zhu et al., 1995
Высокоалюминиевые цинковые сплавы (HAl-Zn Alloys)
Zn + 25..40 масс.% Al
ZA27, ZA35, ZA40

Композиционные сплавы на цинковой основе:
тройная система Zn-Al-Ti
*S. Yang et al. // Journal of Alloys and Compounds: 2010 (3): 8-14
Изотермический разрез при 450°С в плоскости концентрационного треугольника

Технологическая схема получения
цинковых композиционных сплавов
* Прусов Е.С., Коробков М.Б., Кечин В.А. // Литейщик России. 2014. №12. c. 30-36

Особенности структуры цинковых композиционных сплавов системы Zn-Al-Ti
Структура матричного сплава ZA27 (а)
и композиционного сплава состава ZA27 + 5 масс.% Ti (б); ×50
а)
б)

Фазовый состав сплавов Zn-Al-Ti

Результаты томографических исследований структуры сплавов системы Zn-Al-Ti

Результаты томографических исследований структуры сплавов системы Zn-Al-Ti

Исследование композиционных сплавов
методом компьютерной томографии
phoenix nanome|x
максимальное напряжение: 180 кВ
мощность рентгеновской трубки: 15 Вт
различимость деталей до 200 нм
детектор DXR250RT (30 кадров/с)
параметры сканирования
для изучаемых образцов:
размер вокселя: 8..10 мкм
число проекций: 1000
экспозиция на одну проекцию: 333 мс
U/I: 160 кВ / 30 мкА

Компьютерная томография:
взаимодействие ВлГУ и Остек-СМТ
III International Conference on Computed Tomography (7-9 апреля 2015 г., Москва-Владимир)
более 50 организаций, в том числе МГУ, ВлГУ, МФТИ, МГТУ им. Баумана, КФУ, НИИграфит, General Electric, Schlumberger Inc., Volume Graphics и др.;
пленарная часть и три тематические секции.
* Прусов Е.С. // Фундаментальные исследования. 2015. №5 (2). c. 318-323

Триботехнические испытания
цинковых композиционных сплавов
ASTM G99-959 / DIN 50324
Tribometer (CSM Instruments):
- схема «шарик (ШХ15) – диск (образец)»;
- линейная скорость ω = 40 см/с;
- длина пути трения 500 м;
- нагрузка P = 5 Н; радиус R = 7 мм;
- испытания в условиях сухого трения
и при трении со смазкой (Литол 24).

Общие данные для проведения экспериментов
Задача: установление влияния долевого содержания алюминия и титана в композиционных сплавах Zn-Al-Ti на триботехнические свойства литых заготовок
Тип плана: полный факторный эксперимент с варьированием факторов на двух уровнях
Количество параллельных опытов: три

Матрица планирования ПФЭ 22

Испытания в условиях сухого трения

Коэффициент сухого трения

Потеря массы образцов при испытании Δm, мг

Потеря массы образцов при испытании Δm, мг

Испытания в условиях трения со смазкой

Коэффициент трения со смазкой

Современные представления о трибологическом поведении композиционных сплавов
В соответствии с принципом Шарпи (1897), дисперсные частицы армирующей фазы выполняют роль несущих элементов, расположенных в пластичной металлической матрице
Армирование частицами создает благоприятные условия для удержания смазки, переводя работу подвижного трибосопряжения из режима граничного трения в жидкостный или полужидкостный
В процессе трения возможно образование «экранирующих пленок» из матричного сплава, покрывающих армирующие частицы, что предотвращает возникновение непосредственного контакта между частицами и материалом контртела