Розмір шрифту: 

Широкое промышленное применение находят литые композиционные материалы (ЛКМ) на алюминиевой основе как конструкционные и функциональные сплавы. Преимущества их состоят в том, что они обладают высокой удельной прочностью, износостойкостью, а также некоторыми другими повышенными физико-механическими свойствами [1]. В основном ЛКМ получают с помощью технологий твердо-жидкофазного совмещения (пропитки, специальных методов литья) [2]. Центробежное литье – уникальный способ создания заготовок деталей со слоистой градиентной структурой, у которых за счет направленного осаждения частиц в жидкометаллической суспензии могут быть организованы поверхностные зоны (слои) с повышенной концентрацией армирующих частиц [3-5]. Получение композитов методом центробежного литья с горизонтальной осью вращения дает возможность получать заготовки с дифференцированным распределением армирующих элементов по сечению отливки, благодаря одновременному заполнению металлом формы по всей длине отливки и отсутствия оседания частиц. Полученные детали имеют армированную наружную или внутреннюю поверхность (зону), в зависимости от соотношения плотности частиц и матричного сплава [6].
Для определения рациональных составов композитов на основе алюминия и выбора наиболее рациональных наполнителей был проведен расчет траектории движения различных армирующих частиц с различной плотностью при получении композитных заготовок методом центробежного литья. При расчетах учитывались следующие силы, влияющие на поведение частицы, вброшенной в движущийся расплав алюминия: сила лобового сопротивления расплава, сила тяжести, центробежная сила, сила Архимеда и сила Кориолиса. Графические результаты расчетов представлены на рис. 1.




а    б

Рис. 1. Траектория движения армирующих частиц в алюминиевом расплаве при центробежном методе литья с горизонтальной осью вращения при различных скоростях вращения кокиля: а – 1500 об/мин; б – 1000 об/мин

Установлено, что частицы бронзовой стружки, имеющие наибольшую плотность (ρ = 8820 кг/м3) достигнут область наружной поверхности гораздо быстрее, чем частицы карбида кремния (ρ = 3200 кг/м3) и каменного литья (ρ = 3000 кг/м3), имеющие более низкую плотность, а частицы алюмосиликата (ρ = 2000 кг/м3) будут оттесняться к внутренней поверхности отливки. В результате этого воздействия композиционные материалы, армированные бронзовой стружкой, будут иметь более плотный наружный слой, т. к. процесс пропитки будет происходить более полно.
Данные результаты расчетов подтверждает физическое моделирование процессов происходящих при вращении частиц полистирола и бронзовой стружки, помещенных в воду (рис. 2).



Рис. 2. Определение режимов вращения в зависимости от скорости и  плотности наполнителей

Как видно, с увеличением скорости вращения формы во вращательное движение вовлекается все более толстый слой жидкости, часть которой под действием силы тяжести сползает обратно в ванну. Лишь при скорости, соответствующей установившемуся режиму вращения, весь объем жидкости полностью вовлекается во вращательное движение, причем при вводе частиц бронзовой стружки данный режим вращения наблюдается уже при скорости вращения равной 550 об/мин, а при использовании полистирола только при 650 об/мин. Следовательно, пропитка бронзовой стружки будет начинаться раньше, чем других частиц, имеющих более низкую плотность. Но и в этом случае скорость движения внутренних слоев сильно отстает от скорости наружных, т.к. при ударе о дополнительную порцию жидкости внутренние слои снова начинали сползать подобно случаю 2 и 3. Поэтому скольжение элементарных слоев жидкости во вращающейся форме есть фактор объективный, без учета которого нельзя рассматривать механизм формирования центробежной отливки.
По закону Ньютона, залитая во вращающуюся форму жидкость вовлекается во вращательное движение действием тангенциальных сил трения, возбуждаемых поверхностью вращающейся формы: Р = ηfV/S. Согласно этой формуле, тангенциальные силы Р (кг) прямопропорциональны коэффициенту вязкости η (кг∙с/м2), поверхности соприкосновения f (м2), скорости вращения формы V (м/с) и обратно пропорциональны толщине слоя жидкости S (м), т. е. количеству элементарных слоев, вовлеченных во вращательное движение. В соответствии с этой формулой, зависимость тангенциальных сил от указанных значений характеризуется в поперечном сечении вращающегося слоя жидкости с постоянной вязкостью убывающей кривой, свидетельствующей о скольжении элементарных слоев, как относительно поверхности формы, так и относительно друг друга. Действие закона Ньютона и характер скольжения слоев и подтверждает моделирование с использованием воды на центробежной машине при различных скоростях вращения.
Проведенные расчеты и моделирование процесса центробежного литья дало возможность получить плотные литые композиционные отливки на основе алюминия, армированные элементами бронзовой стружки и частицами каменного литья с наружным композитным слоем (4…5 мм) и равномерным их распределением по всей длине втулки.

Литература:
1. Т.А. Чернышева, Л.И. Кобелева и др. // Перспективные материалы, 69, №3 (2004).
2. Е.В. Миронова, Процессы литья, 27. №4 (2004).
3. С.С. Гусев, Д.Н. Лобков, С.С. Казачков Использование методов центробежного литья для получения изделий из композиционных материалов с упрочненной поверхностью, «Материаловедение», 1999г., №5. – С. 50-53.
4. Эскин Г.И. и др. Устранение структурной неоднородности композитов на основе алюминиевых сплавов с целью повышения их качества //Литейное производство, 2001, №9, С. 2-8.
5. A. Dolata-Grosz и др. Struktura strefowa kompozitow AK12-Al2O3-AK12-SiC ksztal towana w Prozesie odlewania odsrod kowedo, Kompozyty, 2002 (2), 5. – С. 305-308.
6. J. Braszczynski. Lite kompozitni materially c kovovou matrici // Slevarcnstvi, 2004, №6. – С.209-212.