Влияние режима спекания и последующего горячего доуплотнения на структуру, механические и трибологические свойства композитов (Al-9Si)-Sn
|
ВВЕДЕНИЕ 11
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 13
1.1 Силумины 13
1.1.1 Модифицирование силуминов 14
1.1.2 Характеристика силуминов 14
1.1.3 Достоинства и недостатки силуминов 15
1.2 Антифрикционные материалы 16
1.3 Порошковая металлургия 23
1.3.1 Достоинства и недостатки порошковой металлургии 24
2. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СПЕЧЕННЫХ И
ПОДВЕРГНУТЫХ ГОРЯЧЕМУ ДОУПЛОТНЕНИЮ КОМПОЗИТОВ (Al-9 Si)-20Sn И (Al-9 Si)-40Sn 26
2.1 Исходные материалы и методы изготовления образцов 26
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 32
4. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 50
4.1 Предпроектный анализ 50
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 50
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения 51
4.2 SWOT - анализ 52
4.3 Оценка готовности проекта к коммерциализации 55
4.4 Методы коммерциализации результатов научно - технического
исследования 57
4.5 Инициация проекта 58
4.6 Организационная структура проекта 58
4.7 Планирование управления научно - техническим проектом 59
4.7.1 Контрольные события проекта 59
4.7.2 План проекта 60
4.8 Бюджет научного исследования 61
4.8.1 Полная заработная плата исполнителей исследования 63
4.8.2 Дополнительная заработная плата исполнителей
исследования 65
4.8.3 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые
отчисления) 66
4.8.4 Накладные расходы 66
4.9 Организационная структура проекта 67
4.10 Реестр рисков проекта 68
4.11 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой,
бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования 68
4.12 Оценка сравнительной эффективности исследования 74
5. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 81
5.1 Анализ выявленных вредных факторов 82
5.2 Экологическая безопасность 93
5.3 Защита в чрезвычайных ситуациях 94
5.4 Производственная безопасность 96
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 99
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ 101
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 102
ПРИЛОЖЕНИЕ А 105
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 13
1.1 Силумины 13
1.1.1 Модифицирование силуминов 14
1.1.2 Характеристика силуминов 14
1.1.3 Достоинства и недостатки силуминов 15
1.2 Антифрикционные материалы 16
1.3 Порошковая металлургия 23
1.3.1 Достоинства и недостатки порошковой металлургии 24
2. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СПЕЧЕННЫХ И
ПОДВЕРГНУТЫХ ГОРЯЧЕМУ ДОУПЛОТНЕНИЮ КОМПОЗИТОВ (Al-9 Si)-20Sn И (Al-9 Si)-40Sn 26
2.1 Исходные материалы и методы изготовления образцов 26
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 32
4. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 50
4.1 Предпроектный анализ 50
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 50
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения 51
4.2 SWOT - анализ 52
4.3 Оценка готовности проекта к коммерциализации 55
4.4 Методы коммерциализации результатов научно - технического
исследования 57
4.5 Инициация проекта 58
4.6 Организационная структура проекта 58
4.7 Планирование управления научно - техническим проектом 59
4.7.1 Контрольные события проекта 59
4.7.2 План проекта 60
4.8 Бюджет научного исследования 61
4.8.1 Полная заработная плата исполнителей исследования 63
4.8.2 Дополнительная заработная плата исполнителей
исследования 65
4.8.3 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые
отчисления) 66
4.8.4 Накладные расходы 66
4.9 Организационная структура проекта 67
4.10 Реестр рисков проекта 68
4.11 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой,
бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования 68
4.12 Оценка сравнительной эффективности исследования 74
5. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 81
5.1 Анализ выявленных вредных факторов 82
5.2 Экологическая безопасность 93
5.3 Защита в чрезвычайных ситуациях 94
5.4 Производственная безопасность 96
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 99
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ 101
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 102
ПРИЛОЖЕНИЕ А 105
Сплавы системы Al-Si, известные как силумины, широко применяются в различных отраслях промышленности. Хорошие литейные свойства и, в первую очередь - высокая жидкотекучесть, являются главными преимуществами силуминов перед другими литейными алюминиевыми сплавами [1]. Помимо жидкотекучести, кремний также эффективно улучшает износостойкость алюминиевых сплавов, поскольку их структура удовлетворяет принципу Шарпи для износостойких антифрикционных материалов. Однако использовать в узлах трения силумины можно только при наличии большого количества смазки, поскольку кремний заметно ухудшает теплопроводность алюминия. В результате поверхность трения сплавов Al-Si в отсутствии жидкой смазки быстро нагревается, деформируется, и начинает схватываться с контртелом [1,2].
Интенсивность изнашивания алюминиевой матрицы может быть понижена, если в её состав ввести мягкий металл, включения которого могут выдавливаться на поверхность, размазываться по ней и защищать пару трения от изнашивания схватыванием [3]. В качестве такой добавки наиболее часто используется олово, и сплавы Al-Sn нашли широкое применение в качестве антифрикционных материалов в подшипниках скольжения.
Однако содержание олова в литых промышленных алюминиевых сплавах ограничивают 20 вес.% (ГОСТ 14113-78) по причине дезинтеграции алюминиевой матрицы оловянными прослойками и вызванным ею снижением их несущей способности. Недавно было обнаружено [4], что решить проблему получения алюминиевых сплавов с гораздо более высоким содержанием олова, сохранив при этом связанность алюминиевого каркаса, можно с помощью методов порошковой металлургии. В результате предельная концентрация олова в спеченных композитах Al-Sn, при которой алюминиевый каркас остается связанным, достигает 40 вес.%. [5].
В случае спекания композитов Al-Si-Sn вводить в эту смесь непосредственно частицы кремния с целью упрочнения ими алюминиевой матрицы нежелательно, поскольку жидкое олово будет разделять компоненты и препятствовать их диффузионному взаимодействию. Кроме того, кремний плохо смачивается оловом даже при температуре выше плавления алюминия, поэтому адгезионные границы “Si-Sn” будут являться слабыми местами в таком композиционном материале [6]. Поэтому, в настоящей работе использовались брикеты, полученные из смеси порошков олова с порошками сплава доэвтектического состава (Al-9Si). Кремний при этом будет равномерно распределен непосредственно в алюминиевых частицах, образующих в широком концентрационном интервале Sn непрерывные цепочки, которые при спекании должны трансформироваться в прочный связанный каркас. При этом, спеченный материал обычно содержит поры, которые являются источниками возникновения трещин и вызывают преждевременное его разрушение в процессе деформации. Поэтому с целью их устранения нужно проводить последующую деформационную обработку. Ввиду наличия большого количества частиц кремния и, как следствие, недостаточной пластичности спеченных композитов подвергать их обработке методами интенсивной пластической деформации нельзя. Поэтому, в качестве деформационной обработки был выбран метод горячего доуплотнения в исходной пресс-форме, при котором деформация образца значительно меньше.
Таким образом, целью настоящей работы было исследование влияния режима спекания и последующей деформационной обработки методом горячего доуплотнения на структуру, механические и трибологические свойства композитов (Al-9Si)-xSn.
Исходя из цели работы, были поставлены следующие задачи:
1. Определить составы смесей порошков Al-9Si с различным содержанием Sn, а также режимы их спекания, позволяющие получать высокоплотные композиты с устойчивой к внешним деформационным воздействиям алюминиевой матрицей.
2. Исследовать влияние последующей деформационной обработки методом горячего до уплотнения (ГД) на структуру и механические свойства спеченных композитов (Al-9Si)-xSn.
3. Исследовать влияние режима спекания и последующего горячего доуплотнения на трибологические свойства композитов (Al-9Si)-xSn различным содержанием олова при сухом трении по стали.
Интенсивность изнашивания алюминиевой матрицы может быть понижена, если в её состав ввести мягкий металл, включения которого могут выдавливаться на поверхность, размазываться по ней и защищать пару трения от изнашивания схватыванием [3]. В качестве такой добавки наиболее часто используется олово, и сплавы Al-Sn нашли широкое применение в качестве антифрикционных материалов в подшипниках скольжения.
Однако содержание олова в литых промышленных алюминиевых сплавах ограничивают 20 вес.% (ГОСТ 14113-78) по причине дезинтеграции алюминиевой матрицы оловянными прослойками и вызванным ею снижением их несущей способности. Недавно было обнаружено [4], что решить проблему получения алюминиевых сплавов с гораздо более высоким содержанием олова, сохранив при этом связанность алюминиевого каркаса, можно с помощью методов порошковой металлургии. В результате предельная концентрация олова в спеченных композитах Al-Sn, при которой алюминиевый каркас остается связанным, достигает 40 вес.%. [5].
В случае спекания композитов Al-Si-Sn вводить в эту смесь непосредственно частицы кремния с целью упрочнения ими алюминиевой матрицы нежелательно, поскольку жидкое олово будет разделять компоненты и препятствовать их диффузионному взаимодействию. Кроме того, кремний плохо смачивается оловом даже при температуре выше плавления алюминия, поэтому адгезионные границы “Si-Sn” будут являться слабыми местами в таком композиционном материале [6]. Поэтому, в настоящей работе использовались брикеты, полученные из смеси порошков олова с порошками сплава доэвтектического состава (Al-9Si). Кремний при этом будет равномерно распределен непосредственно в алюминиевых частицах, образующих в широком концентрационном интервале Sn непрерывные цепочки, которые при спекании должны трансформироваться в прочный связанный каркас. При этом, спеченный материал обычно содержит поры, которые являются источниками возникновения трещин и вызывают преждевременное его разрушение в процессе деформации. Поэтому с целью их устранения нужно проводить последующую деформационную обработку. Ввиду наличия большого количества частиц кремния и, как следствие, недостаточной пластичности спеченных композитов подвергать их обработке методами интенсивной пластической деформации нельзя. Поэтому, в качестве деформационной обработки был выбран метод горячего доуплотнения в исходной пресс-форме, при котором деформация образца значительно меньше.
Таким образом, целью настоящей работы было исследование влияния режима спекания и последующей деформационной обработки методом горячего доуплотнения на структуру, механические и трибологические свойства композитов (Al-9Si)-xSn.
Исходя из цели работы, были поставлены следующие задачи:
1. Определить составы смесей порошков Al-9Si с различным содержанием Sn, а также режимы их спекания, позволяющие получать высокоплотные композиты с устойчивой к внешним деформационным воздействиям алюминиевой матрицей.
2. Исследовать влияние последующей деформационной обработки методом горячего до уплотнения (ГД) на структуру и механические свойства спеченных композитов (Al-9Si)-xSn.
3. Исследовать влияние режима спекания и последующего горячего доуплотнения на трибологические свойства композитов (Al-9Si)-xSn различным содержанием олова при сухом трении по стали.
На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы:
1. Жидкофазное спекание прессовок из смеси порошков сплавов (Al- 9Si) и Sn позволяет получать пластичные композиты, способные выдержать большие деформации в процессе трибомеханических испытаний. При этом они содержали большое количество пор, приводящих снижению функциональных свойств композитов.
2. Метод доуллотнения спеченных композитов (Al-9Si)-Sn при температуре 250 °С приводит к значительному снижению их пористости, в результате чего их плотность практически равнялась ее теоретическому значению, рассчитанному по правилу смеси. В результате такой обработки пределы текучести и прочности на сжатие образцов (Al-9Si)-Sn выросли более чем в 1,5 раз, а их пластичность также заметно улучшилась.
3. В результате горячего доуплотнения также значительно улучшилась износостойкость спеченных композитов (Al-9Si)-Sn при сухом трении по стали. Установлено, что интенсивность изнашивания образцов (Al-9Si)-Sn возрастает при повышении давления на поверхность трения, а их коэффициент трения при этом снижается. При этом образцы, содержащие 20 вес.% Sn обладали более высокой износостойкостью по сравнению с образцами, содержащими 40 вес.% Sn за счет более прочного матричного каркаса.
4. Установлено, что полученные при 570 °С образцы (Аl-9Si)-Sn, обладали наиболее высокими механическими свойствами и износостойкостью при сухом трении по стали, по сравнению с образцами того же состава, спеченными при более высоких температурах спекания. Наиболее износостойкий исследуемый композит (Al-9Si)-20Sn, спеченный при 570 °С и подвергнутый последующему доуплотнению, обладает значительно более высокой прочностью и износостойкостью по сравнению
с двухфазным спеченным образцом Al-20Sn, содержащим аналогичное количество олова и полученным в тех же условиях.
1. Жидкофазное спекание прессовок из смеси порошков сплавов (Al- 9Si) и Sn позволяет получать пластичные композиты, способные выдержать большие деформации в процессе трибомеханических испытаний. При этом они содержали большое количество пор, приводящих снижению функциональных свойств композитов.
2. Метод доуллотнения спеченных композитов (Al-9Si)-Sn при температуре 250 °С приводит к значительному снижению их пористости, в результате чего их плотность практически равнялась ее теоретическому значению, рассчитанному по правилу смеси. В результате такой обработки пределы текучести и прочности на сжатие образцов (Al-9Si)-Sn выросли более чем в 1,5 раз, а их пластичность также заметно улучшилась.
3. В результате горячего доуплотнения также значительно улучшилась износостойкость спеченных композитов (Al-9Si)-Sn при сухом трении по стали. Установлено, что интенсивность изнашивания образцов (Al-9Si)-Sn возрастает при повышении давления на поверхность трения, а их коэффициент трения при этом снижается. При этом образцы, содержащие 20 вес.% Sn обладали более высокой износостойкостью по сравнению с образцами, содержащими 40 вес.% Sn за счет более прочного матричного каркаса.
4. Установлено, что полученные при 570 °С образцы (Аl-9Si)-Sn, обладали наиболее высокими механическими свойствами и износостойкостью при сухом трении по стали, по сравнению с образцами того же состава, спеченными при более высоких температурах спекания. Наиболее износостойкий исследуемый композит (Al-9Si)-20Sn, спеченный при 570 °С и подвергнутый последующему доуплотнению, обладает значительно более высокой прочностью и износостойкостью по сравнению
с двухфазным спеченным образцом Al-20Sn, содержащим аналогичное количество олова и полученным в тех же условиях.