Введение

В настоящее время уровень технического совершенства, связанный с созданием перспективных конструкций и силовых систем нового поколения, во многом определяется материалами, использующимися для изготовления деталей, узлов и агрегатов таких изделий. При этом используются как уже известные, так и новые материалы. К таким материалам относятся композиционные материалы (КМ) [1–5]. Многие композиционные материалы превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждой из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств [3–9].

Композиционные материалы с металлическими матрицами (МКМ) являются перспективными материалами для высокотехнологичных областей промышленности. Одним из эффективных методов получения таких материалов является механическое легирование [1, 10–14]. Разработаны различные способы получения механически легированных композиционных материалов с однородной структурой [15].

Однако в разработанных способах получения механически легированных композиционных гранул остается достаточно много неизученных моментов и возможностей для оптимизации.

Механическое легирование является сложным и хаотичным процессом, зависящим от большого числа независимых и взаимозависимых параметров. При этом режим обработки может значительно варьироваться путем изменения типа механоактиватора, загрузки мелющих тел, рабочей атмосферы, скорости вращения или вибрации рабочей емкости, продолжительности обработки материала и свойств самого обрабатываемого материала и т. д. [16].

При синтезе механически легированных материалов, как правило, выбирается такая продолжительность обработки, при которой достигается равновесие между процессами разрушения и сварки гранул. Необходимая для этого продолжительность механического легирования зависит от режима обработки. Увеличение продолжительности повышает расход электроэнергии, может усилить загрязнение обрабатываемого материала и привести к образованию нежелательных фаз, поэтому нахождение эффективного временно́го режима позволяет оптимизировать затраты и повысить качество КМ [15, 16].

В данной работе проведены исследования формирования МКМ на основе магния, армированного частицами тугоплавких соединений (SiC) с содержанием армирующей фазы 10, 20 и 30% (объемн.).

Материалы и методы

Объемное содержание порошков из магниевого сплава и SiC в МКМ на основе магния, армированного частицами тугоплавких соединений, определяли с использованием весового метода по ГОСТ 18898–89 с предварительным растворением матрицы КМ в соляной кислоте. При приготовлении смеси в качестве матричного материала использовали специально изготовленный порошок сплава МА2 согласно ОСТ1-92123, а в качестве армирующей фазы – порошок карбида кремния дисперсностью 1–10 мкм.

Исследования механических свойств проводили с помощью разрывной машины «Instron 1195» по ГОСТ 4765–73, ОСТ6-10-411–77, ГОСТ 11262–80.

Результаты

Гранулы МКМ на основе магния получали методом механического легирования. Перед проведением механического легирования исходные порошки (Mg и SiC) перемешивали в турбулентном смесителе до получения гомогенной смеси.

Исследование формирования композиционных гранул проводили по времени механического легирования – от 10 до 80 ч. Образование композиционных гранул оценивали по наличию композиционного слоя на рабочих телах и стенках камеры вибросмесителя. По истечении 50 ч на рабочих телах и стенках вибросмесителя образуется слой КМ. После 60 ч происходило незначительное увеличение толщины слоя КМ на рабочих телах и стенках камеры смесителя. Дальнейшее увеличение времени обработки не приводило к увеличению рабочего слоя. Макроструктура полученных композиционных гранул представлена на рисунке.

Композиционные гранулы материала системы Mg–SiC

Из полученных гранул КМ изготавливали брикеты, предварительно подвергая гранулы нагреву в печи до температуры деформации магниевых сплавов. Изготовление брикетов осуществляли на гидравлическом прессе при давлении от 350 до 700 МПа. Давление подбиралось таким образом, чтобы материал после извлечения из матрицы не рассыпался и не разрушался послойно.

Следующим этапом получения КМ являлась экструзия прямым способом в конической матрице при давлении не более 500 МПа. Из полученных по данной технологии прутков КМ на основе магния изготавливали образцы для проведения исследования механических свойств.

В табл. 1 представлены результаты проведенных испытаний МКМ системы Mg–SiC с различным объемным содержанием армирующей фазы.

Таблица 1

Результаты испытаний МКМ системы Mg–SiC

Проведенные испытания показывают увеличение прочности материала при армировании 10% SiC по сравнению с исходной магниевой матрицей, но при дальнейшем увеличении объемной доли частиц тугоплавких соединений прочностные характеристики снижаются.

С целью увеличения механических свойств МКМ на основе магния проводили исследования по изменению температур брикетирования и экструзии. Установлено, что снижение температуры брикетирования и экструзии не влияет на деформационные свойства материала.

В табл. 2 представлены результаты проведенных испытаний МКМ на основе магния с объемным содержанием армирующей фазы 10% SiC, полученных по скорректированной технологии.

Таблица 2

Механические свойства МКМ на основе магния с объемным содержанием

армирующей фазы 10%SiC

Обсуждение и заключения

На основании проведенного исследования формирования композиционных гранул по времени механического легирования (от 10 до 80 ч) сделано заключение о том, что по истечении 50 ч на рабочих телах и стенках вибросмесителя образуется слой композиционного материала. По предварительно разработанной технологии изготовлены образцы МКМ на основе магния и проведены исследования механических свойств. Проведенные испытания показали увеличение прочности материала при объемном содержании армирующей фазы до 10% SiC, при дальнейшем увеличении армирующей фазы прочностные характеристики материала снижаются. С целью увеличения прочностных свойств МКМ скорректированы технологические параметры получения брикетов и последующей экструзии. Исследования механических свойств образцов МКМ, изготовленных по скорректированной технологии показали увеличение прочности материала.