Перспективы развития металломатричных композиционных материалов промышленного назначения

УДК 620.135.5

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МЕТАЛЛОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРОМЫШЛЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Курганова Юлия Анатольевна, доктор технических наук, профессор кафедры материаловедения, kurganova_ya@mail.ru,

ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана»,

г. Москва

В статье представлена стратегия развития научной, прикладной и образовательных составляющих научного проекта по металломатричным композиционным материалам промышленного назначения.

Ключевые слова: трибосопряжения, алюмоматричные композиционные

материалы, технологии ремонта.

The author substantiates the strategy of development of research, applied and educational components of a research project on metal-matrix compositional materials of industrial application.

Keywords: tribounits, alumomatrix composite material, equipment recovery, repair technologies.

В целях производства отраслями отечественного машиностроения конкурентоспособной продукции необходимо существенно повысить эксплуатационные характеристики конструкционных материалов, главным образом лимитирующих общую надежность конечной продукции и промышленные показатели ресурсосбережения. В настоящее время не всегда возможно добиться требуемого уровня свойств за счет применения традиционных металлических материалов в основном из-за их несоответствия новым повышенным требованиям к прочности, жесткости, износостойкости. Основной причиной выхода из строя большинства механизмов и машин является износ подвижных сопряжений и рабочих органов под влиянием сил трения. Процессы, протекающие в трибосопряжениях, лимитируют срок эксплуатации деталей и машин. Сформированный к настоящему времени рынок конструкционных материалов заставляет производителей решать задачи улучшения удельных механических и эксплуатационных характеристик трибосопряжений при минимально возможной стоимости затрат [1-3].

Современными исследованиями в области трения и изнашивания, в частности, работами А.В. Чичинадзе, Н.А. Буше, В.В. Копытько, Л.М. Рыбаковой, Б.М. Асташкевича и др. показано, что работа трибосистемы должна происходить в условиях динамического

равновесия, т.е., с одной стороны, согласно трибологическому подходу материалы и рабочие поверхности должны быть совместными и обеспечивать при трении структурную приспосабливаемость, с другой - согласно макрогеометрическому подходу обеспечение надежной работы трибосопряжения требует стабильности макрогеометрических характеристик соответствующих деталей. Так, нарушение геометрической приспособляемости, как правило, связано со значениями временных и остаточных напряжений, поэтому качество деталей может определяться структурно-геометрическим фактором [4-7].

Перспективным направлением решения проблем, связанных с повышением износостойкости, явилось применение композиционных материалов, развитие и освоение технологий получения, а также методов обеспечения оптимального комплекса механических и эксплуатационных свойств для разнообразных условий эксплуатации.

Для применения в различных триботехнических узлах перспективными признаны дискретно наполненные КМ на алюмоматричной основе, армирующими компонентами которых являются частицы высокопрочных веществ. Разработкой таких КМ заняты ученые США, Японии, Франции, Испании, Германии и др. Так, например, продукты, выпускаемые компанией Ataan (Canada), - сплавы на основе алюминиевой матрицы, упрочненные карбидом кремния, Duralcan F3D, F3N, F3K, F3S - предназначены для получения конечных деталей методами литья, применяются в машиностроении и автостроении. Композиты с наполнителем оксид алюминия - Duralcan W6A.xxA-T6 -предназначены для обработки давлением, ковкой, экструзией, прокаткой, а также для отливки деталей, применяющихся в машиностроении.

Композиты на основе алюминиевых сплавов компании «The discontinuously Reinforced Aluminum Company» (USA). Композиты, упрочненные порошком карбида кремния, 6092/SiC/17.5p DRA, 2009/SiC/15p-T4 DRA 93, 6063/SiC/50p применяются в авиастроении - крышки, люки, крепежные элементы, конструкционные элементы фюзеляжа, механических и гидравлических систем, панели обшивки кабины, корпуса электронных приборов; для коммерческих применений - рамы велосипедов, клюшки для гольфа, корпуса компьютерных жестких дисков; в промышленности - роботостроение, высокоскоростные и высокоточные станки, и т.д.

В России также проводится ряд исследований. Наиболее интенсивные научные разработки в обозначенной области ведутся на базах передовых научных предприятий страны, в том числе Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН и Всероссийского Научно-Исследовательского Института Авиационных Материалов (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ). Отрабатываются технологические схемы формирования

дисперснонаполненных алюмоматричных композиционных материалов, обладающих комплексом повышенных удельных механических характеристик и износостойкостью в условиях трения скольжения без смазки и с ограниченной смазкой, а также при гидроабразивном нагружении.

Практическое значение результатов работы определяется тем, они нашли применение в различных областях машиностроения, в том числе автомобильной, авиационной, станкостроении, газонефтяном комплексе и др. Имеется ряд патентов на изобретения и полезные модели. Наработан значительный объем материала по применению и особенностям обработки. Показана возможность достижения высоких механических характеристик методами термической, термомеханической обработок и методами интенсивного пластического деформирования, что представляет значительный интерес при разработке и применении алюмоматричных дисперснонаполненных композиционных материалов. Экспериментально установлено изменение механизмов трения и износа при изменении внешних параметров процесса. Разработаны рекомендации и определены режимы изготовления и последующей обработки для практического применения.

Применение КМ взамен традиционных конструкционных материалов, позволит производителям перейти на качественно более высокий технический уровень. При создании КМ возможно направленное регулирование прочности, жесткости, диапазона рабочих температур и других механических и эксплуатационных свойств, путем подбора состава, изменения соотношения компонентов и методов изготовления. Разработка и внедрение композиционных материалов позволит найти пути решения проблемы износа деталей трущихся узлов и механизмов.

Триботехнические свойства КМ зависят от многих переменных факторов, которые оптимизируются для каждой конкретной ситуации. Современные технологии создания КМ основываются на принципах управления свойствами путем направленного структурирования. Возможность изменения количества и размера армирующих частиц, добавление не только керамических частиц, но и частиц графита или других веществ в качестве твердой смазки, а также разнообразие матричных сплавов открывают широкие перспективы для использования КМ в узлах трения. Существует также возможность регулирования свойств КМ за счет термической, термомеханической и других обработок [9].

Однако несмотря на преимущества КМ с металлическими матрицами перед традиционными материалами их производство и применение в реальных трибопарах еще весьма ограничено. Наряду с разработкой составов и совершенствованием технологии

изготовления требуется дальнейшая разработка общих принципов конструирования КМ для триботехнических целей и накопление опыта их эксплуатации.

Испытания на разных машинах трения (УИТ-1, МТУ1, ИМТ Multi-Specimen Test System) и испытательных стендах показали возможности повышения износостойкости узлов трения из КМ в 5 раз; расширения диапазона трибонагружения по нагрузочной способности в 2,5 раза; по температурам в трибоконтакте - не менее чем на 150° С, при сохранении уровня антифрикционности традиционных материалов аналогичного назначения. При этом масса изделия снижается не менее чем в 3 раза, стоимость - в 3 и более раз по сравнению с традиционно используемыми материалами в аналогичных условиях эксплуатации [10].

Темпы роста применения КМ в современной промышленности обусловливают потребность в высококвалифицированных специалистах обозначенного профиля. Образовательные стандарты третьего поколения обеспечивают переход к компетентностному подходу в реализации образовательных программ высшего профессионального образования. По машиностроительным направлениям на первый план выходит формирование у студентов профессионально значимых компетентностей в инновационной и технологической профессиональной деятельности, которая определяется способностью получения технологически новых или улучшенных продуктов или процессов на основе современных технологий. Компоненты инновационнотехнологической деятельности, рассматриваемые как профессионально значимые компетентности, формируются на всем протяжении образовательного процесса и становления личности.

Использование результатов современных научных исследований и рассмотрение передовых инновационных технологий на уровне подготовки студента позволит обеспечить формирование высококвалифицированного, востребованного условиями современности специалиста. Обоснованность профильной подготовки, направленной на приобретение компетенций в области материаловедения и технологии композиционных материалов неоспорима. Консолидация научно-практических достижений с их внедрением в образовательный процесс в полном объеме может удовлетворить предъявляемые требования к развитию инновационно-технологической деятельности. Таким образом, прослеживается ярко выраженная потребность в разработке учебных программ по подготовке специалистов обозначенного профиля [8, 9].

В настоящее время в МГТУ им. Н.Э.Баумана ведется работа по формированию авторской образовательной программы подготовки магистров по направлению «Металломатричные композиционные материалы промышленного назначения». В

базовую часть профессионально цикла подготовки бакалавров по направлению 150100 «Материаловедение и технологии материалов» включена дисциплина «Теория и технология производства композиционных материалов» в объеме 82 часов. Предполагаемыми базами исследовательских и проектных работ являются Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН; Всероссийский НаучноИсследовательский Институт Авиационных Материалов (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ); ОАО «Композит» Федеральное космическое агентство. Целью реализации обозначенных программ является подготовка высококвалифицированных востребованных специалистов по передовым технологиям мирового уровня.

Литература

1. Курганова Ю.А., Чернышова Т.А. Разработка и применение дисперсно-упрочненных алюмоматричных композиционных материалов. Ульяновск: Из-во «Венец»,

2010. 223 с.

2. Дисперснонаполненные композиционные материалы для пар трения скольжения / Т.А. Чернышова, Ю.А. Курганова, Л.И. Кобелева, Л.К. Болотова, И.Е. Калашников, И.В. Катин и др. // Конструкции из КМ. 2007. № 3. С. 38-48.

3. Семенов Б.И. Освоение композитов - путь к новому уровню качества материалов // Литейное производство. 2000. № 8. С. 6-11.

4. Ксеневич И.П. Триботехника и проблемы прикладной механики наземных мобильных машин // Приводная техника. 2003. №5. С. 2-5

5. Чернышова Т.А., Кобелева Л.И., Лемешева Т.В. Дисперсно наполненные композиционные материалы на базе антифрикционного силумина для узлов трения скольжения// Перспективные материалы. 2004. №3. С. 69-75.

6. Крштал М.М. О некоторых тенденциях в развитии автомобильных материалов (Всемирный конгресс 2002 года Международного сообщества автомобильных инженеров) // Технология металлов. 2003. № 9 С. 46-48.

7. Семенов Б.И. Приоритетные технологии материалов идеологии конструирования и производства изделий в 21 веке // Технология металлов. 2001. №7. С. 5-8.

8. Курганова Ю.А., Никитенко В.М. Методологические основы организации научно-исследовательской работы в процессе изучения общепрофессиональных дисциплин в техническом вузе // Тезисы докладов научно-методической конференции «Современные технологии учебного процесса в вузе». Ульяновск: УлГТУ, 2010. С. 53-54.

9. Степчева З.В., Маттис Л.А., Основина В.А., Курганова Ю.А. Формирование профессионально-значимых компетентностей в условиях непрерывного

профессионального образования машиностроительного профиля. Ульяновск: УлГТУ,

2011. 154 с.

10. Курганова Ю.А. Дисперсноупрочненные композиционные материалы в условиях трения. Ульяновск: УлГТУ, 2008. 188 с.

11. Курганова Ю.А., Чернышова Т.А., Кобелева Л.И. Дискретно армированный композиционный материал как альтернатива традиционным антифрикционным материалам // Технология металлов. 2005. №10. С. 30-34.