Степанчук, Анатолій МиколайовичТесля, Сергій Юрійович2024-05-062024-05-062024Тесля, С. Ю. Закономірності отримання порошкових сплавів Al–Fe триботехнічного призначення : дис. … д-ра філософії : 132 Матеріалознавство / Тесля Сергій Юрійович. – Київ, 2024. – 172 с.https://ela.kpi.ua/handle/123456789/66655Дисертаційна робота присвячена дослідженню закономірностей отримання порошків сплав Al–15Fe методом механічного диспергування розплавів та технологій подальшого компактування виробів з них методами пресування з наступним спіканням та гарячим штампуванням. Особливу увагу приділено сплавам Al–15Fe з добавками твердих мастил графіту та дисульфіду молібдену, як найбільш перспективних систем для використання в області триботехнічних матеріалів. У роботі наведено літературний огляд останніх досліджень за темою дисертаційної роботи. Було розглянуто найбільш поширені матеріали триботехнічного призначення на основі міді, заліза та графіту. Показано, що на сьогодні перспективними матеріалами які можуть бути використані в парах тертя є порошкові сплави алюмінію леговані залізом. Унаслідок аналізу методів отримання порошків сплавів Al–Fe показано, що найбільш ефективним методом отримання порошків з дисперсно-зміцненою структурою є розпилювання розплавів рідинами та газами високого тиску. За даних умов їх отримання відбувається формування дисперсних фаз інтерметалідів за рахунок швидкості охолодження продуктів диспергування у межах 105 – 106 °С/с. В ході аналізу літературних джерел встановлено, що збереження дисперсної структури фазових складових може бути досягнути шляхом використання імпульсних методів ущільнення таких як гаряче штампування та короткочасне спікання сплавів. У розділі 2 дисертаційної роботи наведено загальну характеристику вихідних матеріалів, методів отримання порошків Al–15Fe методами механічного диспергування та їх подальше ущільнення методами пресування з наступним спіканням та гарячого штампування. Наведено короткий опис стандартних методів дослідження мікроструктури, фазового, хімічного складу та експлуатаційних властивостей. Розглянуто теоретичні та технологічні засади отримання порошків сплавів Al–15Fe. Відповідно до аналітичного опису процесів диспергування встановлено, що швидкість охолодження в досліджуваних умовах змінюється від 1 × 107 °С/с до 2,2 × 107 °С/с і в середньому складає 1,5 × 107 °С/с. Зі зменшенням розміру частинок швидкість охолодження збільшується від 1,23 × 107 °С/с для частинок розміром 250 мкм до 2,05 × 107 °С/с для частинок розміром 50 мкм (за температури розплаву 1250 °С). Збільшення розміру частинок призводить до зниження швидкості охолодження та підвищенню імовірності утворення крупних за розміром фаз інтерметалідів в об’ємі частинок порошків. Показано, що мікроструктура порошків складається з матриці із твердого розчину алюмінію та рівномірно розподілених фаз інтерметалідів. Відмічається утворення стабільної Al13Fe4 та метастабільної фази Al6Fe, яка кристалізується у вигляді дисперсних частинок розміром 1 – 3 мкм та у вигляді стільникової евтектики яка складається з двох взаємо переплетених дендритів a-Al та Al6Fe. У наслідок проведеного аналітичного опису процесу пресування порошків отриманих диспергуванням розплаву Al–15Fe, згідно теоретичних засад процесів ущільнення закладених М. Ю. Бальшиним, встановлено механізм компактування. Показано, що під час збільшення ступеня деформації фактор пресування L в рівнянні пресування за М. Ю. Бальшиним не залишається постійним, а збільшується. Останнє вказує на те, що в основі ущільнення лежить не тільки пластична деформація, а приймають участь й інші процеси. У нашому випадку це може бути пружна деформація і крихке руйнування наявних в матриці частинок твердих фаз Al13Fe4 та Al6Fe. Дослідженням процесів спікання встановлено, що ущільнення пресовок зі сплаву Al–15Fe під час нагрівання в інтервалі температур 500 – 600 °С протягом 30 хв в середовищі водню, супроводжується проявами від’ємної усадки, яка зростає зі збільшенням часу ізотермічної витримки. Останнє зумовлено трансформацією метастабільної фази Al6Fe у Al13Fe4 , яка супроводжується збільшенням питомого об’єму. Застосування для компактування порошків з сплаву Al–15Fe імпульсного методу ущільнення гарячим штампуванням за встановленими оптимальними умовами (енергія штампування 2,5 кДж та температура попереднього нагріву 500 °С) сприяє отриманню практично безпористих матеріалів зі спадкуванням структури і фазового складу вихідних порошків. Проведено експериментальні дослідження щодо отримання та вивчення властивостей чистого інтерметаліду Al13Fe4. Отримані фундаментальні дані властивостей Al13Fe4, а саме модуль пружності складає 180 ± 10 ГПа, мікротвердість 1000 ± 15 HV, межа міцності на згин – 63 ± 5 МПа, коефіцієнт теплопровідності 20 ± 3 Вт/м×К, питомий електроопір – 2 ± 0,7×10-6 Ом×м. Отримані дані лягли в основу моделювання властивостей сплавів Al–15Fe. Було встановлено, що розрахункові згідно розроблених моделей значення міцності на розтяг складають 350 ± 12 МПа, в той же час для сплавів отриманих гарячим штампуванням експериментальні значення міцності на розтяг складає 250 ± 8 МПа, а для спечених 150 ± 10 МПа. Оскільки, більшість триботехнічних матеріалів працюють в умова стискальних навантажень, було проведено дослідження механічних властивостей в умовах стиску залежно від методу отримання матеріалу. Показано, що сплави отримані гарячою штамповкою мають межу текучості на рівні 350 ± 10 МПа, натомість після спікання 240 ± 13 МПа, що може бути зумовлено різним механізмом формування металевого контакту між вихідними частинками порошку під час їх ущільнення. Виходячи з вимог до матеріалів триботехнічного призначення відносно їх високої теплопровідності були досліджені теплофізичні характеристики сплавів Al–15Fe. Оцінку теплових властивостей проводили відповідно до стандартних моделей Максвелла, Левіса-Нельсона та за методом скінчених елементів. Вимірювання властивостей проводили методом «гарячої-холодної» плит. Отримані значення теплопровідності сплавів Al–15Fe змінюються в межах 145 – 150 ± 8 Вт/м×К залежно від умов їх отримання. Виходячи з тепло-фізичних умов тертя можливе розігрівання матеріалу тертя та контр тіла до високих температур. Згідно проведених модельних розрахунків в зоні тертя, для пари «сплав Al–15Fe» – «сталь» можливе виникнення температури 450 – 500 ºС і більше. Тому актуальним є дослідження стійкості матеріалів до окиснювання. В роботі були проведені дослідження по вивченню процесів окиснення сплавів за температур 300 ºС, 500 ºС, 700 ºС та 900 ºС протягом різного часу витримки в межах 30 – 120 хв на повітрі. Аналіз отриманих результатів окиснення показує, що за температур 300 – 500 ºС процеси зміни маси і, відповідно, окиснення практично не відбуваються. Подальше збільшення температури до появи рідкої фази сприяє значному збільшенню маси зразків, що свідчить про окиснення матеріалу. Згідно проведеним термодинамічним розрахункам за цих умов компоненти сплаву можуть взаємодіяти з киснем повітря з утворенням шпінелі FeAl2O4, оксиду алюмінію Al2O3 та оксиду заліза Fe2O3. Відповідно до рентгенівських досліджень за температур окиснення 300 °С – 700 °С також ідентифікуються рефлекси фаз k-Al2O3, Al, Al6Fe. Для отримання сплавів триботехнічного призначення в роботі проведені дослідження умов отримання та властивості матеріалів на основі сплаву Al–15Fe з добавками твердих мастил на основі графіту та дисульфіду молібдену в концентраціях 1 – 3 мас. % та 0,5 – 1,5 мас. % відповідно. Вивчені процеси компактування сплавів пресуванням з наступним спіканням та гарячим штампуванням та досліджені їх триботехнічні характеристики. Унаслідок аналізу процесів тертя встановлено, що в їх основі лежать процеси крихкого руйнування інтерметалідів та їх проникнення в матрицю алюмінію яка додатково зміцнюється дисперсними фазами. Як наслідок спостерігається збільшення зносостійкості матеріалу та зниження коефіцієнту тертя. За наявності твердих мастил в зоні тертя, продукти руйнування та шари мастил змішуються, утворюючи вторинні структури. Встановлено, що оптимальним складом сплавів антифрикційного призначення є введення 1,5 % дисульфіду молібдену та отримання їх методом гарячого штампування.172 с.ukсплави алюмініюAl–Feотримання порошків розпилюваннямінтерметалідитертязносстаріннягаряче штампуваннямоделюванняпресування та спіканняусадкаводеньдисперсно-зміцнені матеріалиThesis Doctoral621.762.2 [621.893]